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Essentials - E-Auto laden für Anfänger

Vorbemerkungen

Dies ist ein Wiki, das alle Nutzer (mit Vertrauensstufe 1) bearbeiten, korrigieren und ergänzen können. Konstruktive Zusammenarbeit ist sehr willkommen. Aus meiner Sicht sollte es dabei relativ knapp und kompakt bleiben, Details sollten woanders behandelt werden. Im Moment fehlen vor allem noch einige Links auf das Forum und ins Internet für weitergehende Erklärungen, Diskussionen, etc. Evtl. auch noch ein paar wenige Bilder (z.B. Steckertypen, Ladekurve, …)

Grundlagen

Hier werden wir auf die grundlegenden Konzepte eingehen, die man braucht, um das Laden von Elektroautos zu verstehen. Natürlich müssen wir hier oberflächlich (und teilweise etwas ungenau) bleiben.

AC vs. DC

Strom kommt in zwei „Geschmacksrichtungen“: Wechselstrom (AC=alternating current) und Gleichstrom (DC=direct current). Über Stromleitungen wird Wechselstrom geleitet, woran übrigens Nikola Tesla nicht unbeteiligt war. Die Batterie funktioniert aber immer mit Gleichstrom. D.h. während des Ladens der Batterie muss mit Hilfe eines Gleichrichters Wechsel- in Gleichstrom gewandelt werden. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten:

  • AC-Ladung: Wechselstrom geht ins Auto und wird dort mit dem autoeigenen Gleichrichter umgewandelt. Vorteil: Einfachere und günstigere Lademöglichkeiten, da kein externer Gleichrichter benötigt wird. Notfalls reicht eine haushaltsübliche Steckdose. Nachteil: Die Leistung des autoeigenen Gleichrichters ist beschränkt, da er sonst zu groß, schwer und teuer wäre. Es ist also nur eine relativ langsame Ladung möglich.

  • DC-Ladung: Die Wandlung geschieht bereits außerhalb des Autos in einem wesentlich größeren, schwereren, teureren und leistungsfähigeren stationären Gleichrichter, daher sind schnellere Ladungen möglich.

Einheiten: kW, kWh, Wh/km, km/h

Um sich nicht als völliger Anfänger zu outen, sollte man eine grobe Vorstellung von diesen Einheiten haben, sie nicht verwechseln und auch keine Einheiten dazu erfinden (z.B. kw/h).

  • kWh (Kilowattstunden) = 1000Wh. Ein Maß für Energie. Ein Liter Diesel beinhaltet knapp 10kWh an (chemischer) Energie, die Batterie eines typischen Elektroautos speichert zwischen 50kWh und 100kWh elektrischer Energie. Zur Einordnung: Ein Durchschnittshaushalt verbraucht täglich ungefähr 10kWh Strom zuhause und zahlt pro kWh in Deutschland ca. 30 Cent.

  • kW (Kilowatt) = 1000W. Ein Maß für die Leistung. Leistung ist auch Energie pro Zeit: Wie viel Energie können wir pro Stunde der Batterie entnehmen oder zufügen? Wenn wir beispielsweise eine Batterie eine Stunde lang durchgehend mit einer Leistung von 50kW laden würden, hätten wir insgesamt 50kWh Energie geladen. Bei 10kW Ladeleistung bräuchten wir dazu 5 Stunden. Typische Ladeleistungen: 2-22kW bei AC-Ladungen, 50-250kW bei DC-Ladungen. Zur Einordnung: Haushaltsgeräte wie Staubsauger oder Haartrockner können um die 2kW Leistung haben.

  • Wh/km ist ein Maß für den Verbrauch pro zurückgelegter Strecke, analog zu Liter/100km bei Verbrennern. Je nach E-Auto und Fahrweise sind etwa 120-300Wh/km möglich, ein realistischer Durchschnitt über alle Tesla-Modelle und Fahrsituationen hinweg liegt um die 200Wh/km. Äquivalent wird das oft auch in kWh/100km ausgedrückt, was dann ein Zehntel entspricht, also z.B. 200Wh/km=20kWh/100km. Der Normverbrauch eines Autos wird auch gemäß WLTP angegeben, allerdings muss man wie auch bei Verbrennern recht sparsam fahren, um diesen zu erreichen.

  • km/h ist natürlich ein Maß für die Geschwindigkeit. Bei Ladevorgängen kann man aber auch die Ladeleistung gemäß des Verbrauchs umrechnen in gewonnene km Reichweite pro Stunde. Beispiel: Ich lade mit einer Leistung von 100kW, d.h. pro Stunde lade ich 100kWh. Mein Verbrauch sei 20kWh/100km, also komme ich damit theoretisch 500km weit. So betrachtet lade ich mit einer Geschwindigkeit von 500km/h.

Batteriegesundheit: Ladeleistungen, SOC, etc.

Lithium-Ionen Batterien altern über die Zeit, abhängig von der Zahl der Ladezyklen und der Rahmenbedingungen wie Temperaturen, Lade- und Entladeleistungen, und Ladezustand. Teslas und andere moderne E-Autos haben aber ein ausgeklügeltes Batterie-Management System (BMS), dass sich um alles wichtige kümmert, beispielsweise die Leistung regelt und die Temperatur überwacht und steuert. So halten die Batterien viele hunderttausend Kilometer, ohne dass man sich als Fahrer um viel kümmern muss.

Eigentlich muss man nur beachten: Am wohlsten fühlt sich die Batterie bei einem Ladezustand (SOC=state of charge) von ungefähr 20%-80%. Man kann ohne Probleme öfter darüber oder darunter gehen, sollte das Auto aber nicht regelmäßig länger mit über 90% oder unter 10% SOC stehen lassen.

Bei älteren Teslas mit einer älteren Batterie-Technologie hat sich herausgestellt, dass die Batterie bei häufiger Schnellladung leidet. So wurden Autos mit häufiger Supercharger-Nutzung in der maximalen Ladeleistung reduziert. Bei neueren Autos ist dies bisher nicht vorgekommen und die Hoffnung ist, dass dieses Problem mit der neueren Batterie-Technologie gelöst wurde.

Zuhause laden

Besonders bequem haben es die E-Auto-Fahrer, die zuhause eine Garage oder einen Stellplatz mit (möglichem) Stromanschluss haben. Im Vergleich zum Verbrenner entfällt die Fahrt zur Tankstelle, im Alltag ist der Tank morgens immer (hinreichend) voll. Wir wissen schon: Zuhause werden wir Wechselstrom (AC) laden und dementsprechend eine relativ geringe Ladeleistung haben. Aber das Auto steht ja auch normalerweise einige Stunden herum, so dass die Ladeleistung immer reichen sollte.

Grundlagen: Volt, Ampere, Drehstrom

Wir wissen schon: Ladeleistungen messen wir in Watt oder kW. Elektrische Leistung ergibt sich als Produkt aus der Spannung (gemessen in V=Volt) und der Stromstärke (gemessen in A=Ampere). Beispiel: Unser Haushaltsstrom hat eine Spannung von etwa 230V. Bei einer Stromstärke von 10A ergibt sich eine Leistung von 230x10=2300W=2,3kW.

Wir haben in Europa üblicherweise dreiphasigen Drehstrom. Die Details spielen hier keine Rolle, aber beispielsweise nutzt ein üblicher Küchenherd diesen Drehstrom (auch Kraftstrom oder fälschlicherweise Starkstrom genannt). Für uns als Praktiker nur relevant: Wenn wie 3-phasigen Drehstrom nutzen, verdreifacht sich die Leistung (bei weiterhin 230V pro Phase). Beispiel: Bei 16A Drehstrom ergibt sich eine Leistung von 3x230x16=11040W=11,04kW.

Schuko-Steckdose

E-Autos können grundsätzlich an einer üblichen Haushaltsteckdosen geladen werden, die beispielsweise schon in der Garage vorhanden ist. Dafür wird ein „Ladeziegel“ (ICCB=In-Kabel-Kontrollbox) benötigt, der bei Tesla auch UMC (=Universal Mobile Connector) heißt und mit dem Auto mitgeliefert wird.

Der Tesla UMC kann an einer Schuko-Dose mit maximal 13A laden, was etwa 3kW (13x230=2990W) entspricht. Das ist auf Dauer allerdings eine größere Herausforderung an eine übliche Haushaltssteckdose, die sich dadurch erhitzen kann, insbesondere wenn die Installation älter oder nicht optimal ist. Der Tesla UMC überwacht die Hitze am Stecker und schaltet sich notfalls ab, aber dennoch scheint es ratsam, die Leistung z.B. auf 10A (2,3kW) zu reduzieren. Wer auf Dauer regelmäßig zuhause lädt, sollte auf jeden Fall von einem Elektriker die Installation prüfen lassen und sich überlegen, auf eine der folgenden Optionen aufzurüsten.

Bei einem realistischen Durchschnittverbrauch über alle Tesla Modelle (S,3,X) von etwa 20kWh/100km ergibt sich eine Ladegeschwindigkeit von 2,3/20x100 = 11,5 km/h.

Blaue CEE-„Campingdose“

Eine Schuko-Haushaltsteckdose kann problemlos und kostengünstig gegen eine blaue (d.h. einphasige) 16A-Dose getauscht werden. Diese Dosen befinden sich häufig auch auf Campingplätzen, daher auch die Bezeichnung „Campingdose“. Der Unterschied ist, dass diese Dosen auf eine Dauerlast von 16A ausgelegt sind. So lange die Verkabelung und die Sicherungen dafür geeignet sind, kann so problemlos mit einer Ladeleistung von 16x230=3680W=3,7kW geladen werden. Dafür benötigt man z.B. einen entsprechenden Adapter für den Tesla-UMC.

Bei einem realistischen Durchschnittverbrauch über alle Tesla Modelle (S,3,X) von etwa 20kWh/100km ergibt sich eine Ladegeschwindigkeit von 3,7/20x100 = 18,5 km/h.

Rote CEE Drehstromdose

In vielen landwirtschaftlichen und Handwerksbetrieben, Restaurantküchen, etc. finden sich rote CEE-Dosen. Dies sind Dosen für dreiphasigen Drehstrom (s.o.) und es gibt sie als 16A und (etwas größer, aber seltener) als 32A Version. Mit der kleineren Variante lassen sich Ladeleistungen von 3x16x230=11040W=11kW erzielen, was beispielsweise der maximalen AC-Ladeleistung eines Tesla Model 3 entspricht. Die größere Variante bietet bis zu 22kW, wovon z.B. die aktuellen Model S und X bis zu 16,5kW nutzen können.

Um eine Drehstromdose in der Garage oder dem Stellplatz zu installieren, wird es in den meisten Fällen notwendig sein, ein neues Kabel verlegen zu lassen, was je nach Gegebenheiten mehr oder weniger aufwändig ist. Dazu kommt, dass der Tesla UMC (in der aktuellen Version 2) kein Drehstrom verarbeiten kann. Es gibt zwar einen Adapter zwischen roter und blauer CEE-Dose, aber damit kann auch nicht schneller geladen werden als an einer blauen CEE-Dose. Um die dreifache Geschwindigkeit zu nutzen, müssen noch einige hundert Euro investiert werden in den Corded Mobile Connector von Tesla oder eine „mobile Wallbox“ wie den Juice Booster oder den go-eCharger. Diese können natürlich auch auf Reisen mitgenommen werden um dort an CEE-Dosen zu laden (was in bestimmten Fällen bequem sein kann, aber für die meisten Nutzer kaum notwendig ist).

Bei einem realistischen Durchschnittverbrauch über alle Tesla Modelle (S,3,X) von etwa 20kWh/100km ergibt sich eine Ladegeschwindigkeit von
11,0/20x100 = 55 km/h, bzw.
16,5/20x100 = 82,5 km/h oder
22,0/20x100 = 110 km/h.

Wallbox

Eine Wallbox wie der Tesla Wall Connector oder viele andere Geräte sind die „professionellste“ Lösung für die Ladung zuhause. Es ist eine vergleichbare Technik wie in einer „mobilen Wallbox“ verbaut, aber fest angeschlossen und in einem Kasten an der Wand untergebracht. Die Ladeleistung ist dabei typischerweise 11kW oder 22kW (analog zur roten Drehstromdose), wobei es auch einphasige Varianten mit 3,7kW (analog zur blauen Campingdose) gibt. Aufwand und Kosten von Beschaffung und Installation sind vergleichbar mit der Verlegung einer Drehstromdose und der Anschaffung einer „mobilen Wallbox“.

Andere Aspekte

Für eine Heimladung sollten 11kW Ladeleistung eigentlich immer mehr als ausreichen. In den meisten Fällen reichen auch 3,7kW – in 10 Stunden über Nacht kommen damit immerhin 37kWh zusammen, mit denen beispielsweise ein Model 3 problemlos 200km weit kommt.

Sollten neue Kabel verlegt werden, dann am besten gleich großzügig planen, was Drehstrom und Leitungsquerschnitte angeht – die Kosten für die Kabel sind gering im Vergleich zur Arbeit. Und gleich ein Datenkabel mit verlegen – das Auto und ggfs. eine Wallbox würden sich gerne mit dem Internet verbinden.

Bei der Entscheidung zwischen unterschiedlichen Wallboxen gibt es einige Aspekte zu beachten, was an dieser Stelle zu weit führt. Beim Preisvergleich muss man z.B. beachten: Einige Wallboxen (z.B. der der Tesla Wall Connector) enthalten keinen FI-Typ B oder FI-Typ A EV Schalter, der dann zusätzlich angeschafft werden muss, was nochmal einen dreistelligen Betrag zusätzlich kostet. Einige feste und mobile Wallboxen lassen sich auch „intelligent“ steuern, und laden z.B. das Auto, wenn der Strom gerade günstig ist oder die eigene Photovoltaik-Anlage Überschuss produziert. Zu diesen und vielen anderen Themen gibt es viele Infos und Diskussionen hier im Forum.

Unterwegs laden

Nicht jeder hat die Möglichkeit zuhause zu laden und wenn man sich weiter weg von zuhause bewegt, muss jeder auch unterwegs nach“tanken“.

AC-Ladesäulen und Destination Charger

Bei den meisten Ladesäulen in der Stadt handelt es sich um AC-Lader mit 11 oder 22kW maximaler Ladeleistung, vergleichbar mit einer heimischen Wallbox. Eine gute Übersicht über vorhandene Säulen bietet z.B. die Webseite von GoingElectric oder unterschiedliche Apps wie beispielsweise AirElectric. Oft wird ein „Typ 2“ Ladekabel benötigt, das bei Tesla und den meisten anderen Autos zum Lieferumfang gehört. Bezahlt wird der Strom meistens über spezielle Ladekarten oder Smartphone-Apps.

Als Destination Charger werden auch Wallboxen bezeichnet, die z.B. Restaurants und Hotels ihren Gästen zur Verfügung stellen, was natürlich sehr bequem ist – während das Auto sowieso parkt, wird es gleich vollgeladen. Ob, wieviel und auf welchem Weg bezahlt wird, ist sehr unterschiedlich.

Auch einige Einzelhändler (IKEA, Aldi, Kaufland, …) bieten ihren Kunden oft kostenlose Lademöglichkeiten.

DC-Schnellader

Wie bereits bekannt liefern DC-Lader direkt den Gleichstrom in das Auto. Sie sind dafür größer und/oder benötigen zusätzliche Gleichrichter. Relativ leistungsschwache DC-Lader (z.B. mit 50kW Leistung) finden sich auch in der Stadt verteilt. Auf der Autobahn geht es darum, möglichst schnell weiter fahren zu können und daher um eine möglichst hohe Ladeleistung. High Power Charger (HPC) können z.B. bis zu 150, 250 oder 350kW Ladeleistung haben. Mit dem passenden E-Auto können so während einer Toiletten- und Kaffeepause wieder 200-300km Reichweite nachgeladen werden.

Große Anbieter von öffentlichen HPC sind z.B. Ionity, Fastned, EnBW und Allego. Bezahlt wird dort wieder mit RFID-Karte oder App.

Supercharger (SuC)

Supercharger sind DC-Schnellader und unterscheiden sich von den öffentlichen HPC dadurch, dass sie nur von Teslas nutzbar sind. Vorteile sind, dass sie relativ günstig und sehr zuverlässig und bequem nutzbar sind. Die Erkennung des Autos für die Abrechnung läuft automatisch und ohne Ladekarten oder -Apps.

Aktuell (Herbst 2020) sind die meisten SuC noch in der Version V2 mit einer maximalen Ladeleistung von 150kW installiert, aber zunehmend werden V3-SuC mit 250kW Leistung gebaut. Eine Übersicht über aktuelle Supercharger findet sich z.B. direkt bei Tesla.

Ladekurven und Ladedauer

Wenn ich eine 75kWh-Batterie von 0% auf 100% an einer 250kW-Säule lade, brauche ich dafür 75/250=0.3h=18 Minuten? Leider ist das komplizierter. Die tatsächliche Ladeleistung hängt auch davon ab, wieviel Leistung das Auto bzw. sein Batteriemanagementsystem (BMS) akzeptiert. Die wenigsten Autos können selbst unter Idealbedingungen mit 250kW laden. Als eines der wenigen verfügbaren Autos kann das Model 3 das. Aber auch nur, wenn die Batterie relativ leer und schon auf Temperatur gekommen ist. Je voller sie wird, desto mehr wird durch das BMS die Leistung reduziert, um die Batterie zu schonen.

Dieser Zusammenhang zwischen Batterieladezustand (SOC=state of charge) und Ladeleistung lässt sich in einer Ladekurve darstellen und ist noch wichtiger als die maximale Leistung, aber natürlich schwieriger zu kommunizieren und vergleichen. Ein sinnvolles Maß für die Ladefähigkeiten ist daher die Dauer für eine bestimmte SOC-Ladung (z.B. 10-80%), für eine Energiemenge (z.B. 50kWh) oder noch besser für eine bestimmte Reichweite (z.B. 250km).

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