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Wissenswertes zu Ladestationen für Elektroautos

Wer über Elektromobilität nachdenkt und sich ein Elektroauto anschaffen will, muss auch über die Lademöglichkeiten nachdenken. Denn E-Mobilität ohne Energie aus der Steckdose gibt es nicht. Doch das Aufladen eines E-Autos ist absolut unproblematisch, wenn grundsätzliche Dinge beachtet werden. Wir verraten Ihnen warum der Strom aus der Ladestation besser für Ihr Auto ist, als der Strom aus einer 230 V-Netzsteckdose.


Was ist eine Elektroauto-Ladestation?

Vor ein paar Jahren steckte die Elektromobilität bzw. E-Mobility noch in den Kinderschuhen. Aber mittlerweile sind elektrisch betriebene Fahrzeuge weltweit auf dem Vormarsch. Dank stetiger Weiterentwicklung haben Elektroautos genügend Energie, um immer weitere Strecken mit einer Akkuladung zurück zu legen.

Doch irgendwann ist auch der größte Akku erschöpft und muss geladen werden. Kein Besitzer möchte dann sein nagelneues E-Auto auf einem abgelegenen Parkplatz abstellen. Selbst wenn dort eine kostenlose Ladesäule für E-Fahrzeuge steht. Nein, das Fahrzeug muss auch auf dem Firmengelände oder in der heimischen Garage geladen werden können.

Dazu ist eine leistungsfähige Ladestation erforderlich. Im englischen Sprachgebrauch wird eine private Wand-Ladestation für Elektrofahrzeuge auch als „Wallbox“, „Wall Charging Station“, „Home Charging Station“ oder auch „Wall Connector“ bezeichnet. Doch unabhängig von der Bezeichnung ist die Aufgabe immer gleich: Wallboxen sind der Übergabepunkt vom Energienetz zum E-Fahrzeug.

Bei Ladeleistungen über 3,7 kW ist es nicht mehr empfehlenswert, die Verbindungsstecker unter Last einfach so an- oder abzustecken. Deshalb prüft die Ladestation, ob das Elektro-Fahrzeug korrekt angeschlossen ist und gibt erst dann die Spannung am Ausgang frei. Somit ist gewährleistet, dass der Ladevorgang mit größtmöglicher Sicherheit abläuft.

Elektro-Autos beim schnellen Tankstopp an Ladestationen.


Wieso ist eine Ladestation bzw. Wallbox erforderlich?

 

Wandladestation mit Ladekabel für den Hausgebrauch.

Der Akku eines Elektroautos hat ein beachtliches Fassungsvermögen, sonst wären die aktuellen Laufleistungen moderner Elektroautos nicht möglich. Wenn so ein hochkapazitiver Fahrzeugakku komplett leer ist, könnte er einen sehr hohen Ladestrom aufnehmen.

Die Steckdose als Stromquelle wäre dann schnell überfordert. Aus diesem Grund muss der Ladestrom angepasst bzw. begrenzt werden. Dabei sollte der Ladestrom aber hoch genug sein, damit das Elektrofahrzeug schnell wieder einsatzbereit ist. Andererseits darf das Stromnetz bzw. die heimische Elektroinstallation nicht überlastet werden.

Wieviel Strom letztendlich dem eMobil zur Verfügung gestellt wird, hängt davon ab, welcher Stromanschluss zur Verfügung steht. Wenn die Ladestation lediglich mit 230 V Wechselspannung versorgt wird, kann sie weit weniger Leistung abgeben, als wenn sie über drei Phasen mit 400 V Drehstrom versorgt wird.

Ein kleines Rechenbeispiel zur Veranschaulichung: 
Ein Elektro-Fahrzeug benötigt ca. 15 bis 20 kW pro 100 km Reichweite. Bei einer durchschnittlichen Ladeleistung von ca. 10 kW benötigt man rund 2 Stunden, um elektrische Energie für 100 km Reichweite zu „tanken“. Erfolgt die Aufladung lediglich mit ca. 3 kW, benötigt man für die gleiche Energiemenge rund 6 Stunden.

Das zeigt: Um ein Auto in einem praxistauglichen Zeitraum wieder auf zu laden, benötigt man Ladeleistungen deutlich über 3,7 kW

Demzufolge wird eine Wallbox benötigt, die dem Fahrzeug die erforderliche Ladeleistung sicher bereitstellen kann. Die Wallbox ist aber nicht das Ladegerät! Der eigentliche Ladevorgang mit Hilfe eines Ladegerätes findet innerhalb des Fahrzeuges statt.


Welche Ladeverfahren werden unterschieden?

Das Laden eines Elektrofahrzeuges kann auf verschiedene Arten erfolgen. Bei den unterschiedlichen Ladekonzepten ist es entscheidend, welche Spannungs- bzw. Stromquelle zur Verfügung steht. Es wird über Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) mit unterschiedlichen Leistungen geladen.

Laden mit Wechselstrom

Schutzkontaktsteckdose mit 230 V Wechselstrom.

Wechselstrom steht an jeder haushaltsüblichen Netzsteckdose zur Verfügung. Allerdings beträgt bei nur einer Phase mit 230 V und max. 16 A die Leistung max. 3,68 kW.

Was für haushaltsübliche Verbraucher wie Kaffeemaschine, Bügeleisen oder Heizlüfter locker ausreicht, ist für ein Elektroauto eher schwach dimensioniert.

Der Ladevorgang dauert je nach Kapazität und Ladezustand des Akkus leicht zehn oder noch mehr Stunden. Wenn das Fahrzeug dabei sicher über Nacht in der heimischen Garage steht, ist das nicht unbedingt ein großes Problem.

Laden mit Drehstrom

CEE Steckdose mit 400 V Drehstrom.

Für den heimischen Gebrauch ist eine Ladestation, die an Drehstrom angeschlossen wird, die bessere Lösung.

Im Gegensatz zum Wechselstrom mit nur einer Phase, stehen bei Drehstrom gleich 3 Phasen zur Verfügung.

Bei einer Belastbarkeit von 32 A pro Phase ergibt das dann eine rechnerische Ladeleistung von 22 kW.

Dadurch reduziert sich die Ladedauer erheblich und das Fahrzeug ist nach kurzer Zeit wieder einsatzbereit.

Einige Fahrzeughersteller legen ihren Fahrzeugen oftmals eine In-Kabel-Kontrollbox (ICCB In Cable Control Box) bei, um im Notfall auch außerhalb der heimischen Garage oder jenseits von öffentlichen Ladesäulen einen Ladevorgang an einer Netzsteckdose durchführen zu können.

Laden mit Gleichstrom

Beim Laden mit Gleichstrom ist das Ladegerät direkt in der Ladesäule verbaut. Die Versorgung des Ladegerätes erfolgt entweder aus dem Stromnetz oder aus Pufferakkus einer Solaranlage.

Um dieses Ladeverfahren nutzen zu können, muss am Elektroauto ein Gleichstrom-Anschluss vorhanden sein. Das Batteriemanagement im Fahrzeug kommuniziert dann über das Ladekabel mit dem Ladegerät in der Säule. So kann die Stromstärke perfekt angepasst werden und bei vollem Akku erfolgt eine Abschaltung.

Mit der Gleichstromladung sind Ladeleistungen weit jenseits der 22 kW möglich und die Ladezeiten sind sehr kurz. Allerdings liegen die Preise der Gleichstrom-Ladestationen extrem hoch, weshalb sie für den privaten Hausgebrauch eher uninteressant sind. Wo die Schnellladung mit Gleichstrom aber durchaus Sinn macht, ist an öffentlichen Ladesäulen wie z.B. an den Autobahnen. Hier kann die Rast gleich genutzt werden, um den Fahrzeugakku in weniger als einer Stunde wieder komplett aufzuladen. Aber auch für Firmen sind Schnellladesäulen eine durchaus interessante Investition. Besonders dann, wenn die Anschaffung von Elektrofahrzeugen geplant wird.

Wichtig! 
Beim Laden mit Wechsel- und Drehstrom befindet sich das Ladegerät im Elektro Auto. Deshalb sollte man sich genau informieren, wie hoch die Ladeleistung des eingebauten Ladegerätes ist. Wenn das Fahrzeug lediglich 7 oder 11 kW max. Ladeleistung verkraftet, macht es wenig Sinn sich eine Ladestation mit 22 kW oder mehr installieren zu lassen.


Wie funktioniert eine Ladestation?

Der maximale Ladestrom richtet sich nach dem Stromanschluss.

Bei der Installation einer Ladestation an Wechsel- oder Drehstrom wird in der Wallbox genau eingestellt, wie hoch der maximal zulässige Strom sein darf.

Die maximale Höhe des Stromes richtet sich nach der Leistungsfähigkeit des Elektroanschlusses und nicht nach dem Bedarf des Elektrofahrzeuges.

Diese Information wird beim Ladevorgang an das Ladegerät im Fahrzeug übermittelt. Das Ladegerät im Fahrzeug passt dann den Ladestrom an, damit die Elektroinstallation des Stromanschlusses nicht überlastet wird.

Mit Hilfe von Stromwandlern erfasst und überprüft die Ladestation den aktuellen Stromwert. Ist dieser zu hoch, kann die Ladestation die Stromzufuhr für das Ladegerät im Fahrzeug unterbrechen.

Damit die Ladestation und das Ladegerät im Fahrzeug miteinander interagieren können, befinden sich im Ladekabel zwei zusätzliche Verbindungsleitungen mit der Bezeichnung CP (Contact Pilot) und PP (Proximity Pilot oder Plug Present).

Durch eine Widerstandsänderung am Anschluss PP erkennt die Ladestation die Verbindung des Ladekabels zum Elektroauto.

Die jeweiligen Zustände zur Ladefreigabe werden über Widerstandsänderungen auf dem CP-Anschluss erkannt.

Gleichzeitig gibt die Ladestation ein pulsweitenmoduliertes Signal am dem CP-Anschluss aus, um den maximal zulässigen Ladestrom an das Ladegerät im Fahrzeug zu übermitteln.

Die beiden kleineren Kontakte des Ladesteckers sind für CP und PP.

Weitere Sonderfunktionen 
Da die Ladestation pausenlos die Stromaufnahme erfasst, können Störungen und Fehlfunktionen sofort erkannt werden. Im Extremfall unterbricht die Ladestation den Ladevorgang und trennt die Verbindung zum Elektroauto. 
Ebenso kann die Ladestation auch die Zugangsberechtigung der Anwender gewährleisten. Das kann per Schlüsselschalter, Pin Code oder RFID-Technik realisiert werden. Aber auch umfassende Auswertungen zum Energiemanagement oder Echtzeitüberwachung sind bei vielen Ladestationen möglich.


Wie wird eine Ladestation montiert?

Aufbauort festlegen

Die Ladestation muss sich in unmittelbarer Nähe zum Fahrzeug befinden.

Geeignete Aufbauorte sind deshalb vorzugsweise in der Garage zu wählen. Im Außenbereich muss eine Ladestation den Witterungsbedingungen standhalten. Deshalb empfiehlt sich hier der witterungsgeschützte Bereich eines Carports.

Bei komplett frei stehenden Ladestationen muss die IP-Schutzart entsprechend hoch sein.


Elektrischer Anschluss

Wenn der Aufbauort feststeht, muss der elektrische Anschluss erfolgen. In vielen Fällen stellt dies einen massiven Eingriff in die Elektroinstallation dar. Deshalb muss die Installation von einem Elektrofachmann durchgeführt werden, der mit den einschlägigen Vorschriften und Vorgehensweisen vertraut ist.

An die Stromleitung, die vom Sicherungskasten zur Ladestation führt, dürfen keine weiteren Verbraucher oder Steckdosen angeschlossen werden. Neben der erforderlichen Kabelverlegung müssen auch eine Leitungsabsicherung (LS-Schalter) sowie ein Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter Typ A EV oder Typ B) installiert werden. Wenn die Ladestation bereits einen DC-Fehlerstromsensor besitzt, ist ein Standard-Fehlerstromschalter (FI Typ A) vollkommen ausreichend.

Wichtig!
Wenn eine Ladestation mehr als 12 kW Ladeleistung aufweist, muss vor der Installation bzw. der Inbetriebnahme eine Genehmigung des Netzbetreibers eingeholt werden.


Programmierung der Ladestation

Viele Ladestationen haben umfangreiche Einstell- und Programmier- und Auslesemöglichkeiten.

Die korrekte Einstellung ist dabei ebenso wichtig, wie der professionelle Anschluss an das Stromnetz.

Nur so ist gewährleistet, dass das Elektrofahrzeug schnell geladen wird ohne dabei die Elektroinstallation zu überlasten.


Wie wird eine Ladestation mit dem Fahrzeug verbunden?

Bei den Ladekabeln gibt es verschiedene Stecksysteme, die sich je nach Hersteller und Land mehr oder weniger stark etabliert haben. Aus diesem Grund sollten Sie sich vor dem Kauf einer Ladesäule oder einer Ladestation informieren, welcher Ladestecker für Ihr Fahrzeug erforderlich ist.

Typ 1 Ladestecker

Der Ladestecker vom Typ 1 ist im asiatischen Raum, sowie in Nordamerika, weit verbreitet.

Der Ladestecker mit seinen fünf Kontakten ist für Ladeleistungen bis 7,2 kW ausgelegt.

Bei den in Deutschland verkauften Fahrzeugen mit Typ 1 Stecksystem liegt in der Regel ein Anschlusskabel bei, das an Ladestationen mit Typ 2 Steckbuchse passend ist.

Der Typ 1 Ladestecker besitzt 3 große Kontakte, die mit Phase (L1), Null-Leiter (N) und Schutzleiter (PE) belegt sind. Die beiden kleineren Kontakte sind für die Signalleitungen CP und PP.


Typ 2 Ladestecker

Der Ladestecker vom Typ 2 hat sich in Europa durchgesetzt.

Der auch als Mennekes-Stecker bekannte Anschluss wird von allen großen Autoherstellern in Deutschland unterstützt.

Die maximale Ladeleistung bei privaten Wall-Boxen liegt bei 22 kW, wobei an öffentlichen Ladestationen bis zu 43 kW übertragen werden.

Der Typ 2 Ladestecker verfügt über 5 große Kontakte die mit den Phasen L1, L2 und L3 sowie dem Null-Leiter (N) und dem Schutzleiter (PE) belegt sind. Die Signalleitungen CP und PP werden über die beiden kleineren Kontakte verbunden.


CCS-Stecker

Der Combined Charging System-Stecker ist eine Weiterentwicklung des Ladestecker Typ 2. Durch zwei zusätzliche Kontakte im unteren Bereich des Steckers ist die Schnellladung mit Gleichstrom (DC+ und DC-) möglich.

Die Ladebuchse am Fahrzeug ist dann so ausgelegt, dass entweder Typ 2 Ladestecker oder CCS-Stecker angeschlossen werden können. Mittlerweile hat sich der CCS2-Stecker in Europa etabliert. In den USA wird die Kombination CCS1 genutzt, bei der ein Typ 1 Ladestecker mit Gleichstromkontakten erweitert wird.

Schnellladestationen mit CCS-Anschlüssen unterstützen eine Ladeleistung von bis zu 125 kW.


Mode 2 Ladekabel

Ein Mode 2 Ladekabel wird oft den Elektrofahrzeugen beigelegt und ermöglicht das Laden an einer handelsüblichen 230 V Netzsteckdose.

Allerdings sind dann die Ladezeiten entsprechend lange. Die Kommunikation mit dem Ladegerät im Fahrzeug übernimmt eine Kontroll-Box (ICCB In Cable Control Box), die im Kabel integriert ist. Dadurch ist sichergestellt, dass das Ladegerät im Elektroauto den Stromanschluss nicht überlastet.


Mode 3 Ladekabel

Für den Anschluss des Fahrzeuges an eine öffentliche Ladestation ist ein Mode 3 Ladekabel erforderlich.

Eine integrierte Kontrollbox (ICCB) ist nicht erforderlich, da das Ladegerät im Fahrzeug direkt mit der Ladestation kommuniziert.

Mode 3 Ladekabel sind in Europa mit jeweils zwei Ladestecker Typ 2 ausgestattet.


Mode 4 Ladekabel

Mode 4 Ladekabel kommen dann zum Einsatz, wenn mit Gleichstrom und großer Leistung geladen wird. Wegen der hohen Ladeströme sind diese Kabel fest mit der Ladestation verbunden. An der Fahrzeugseite des Ladekabels ist ein CSS-Stecker montiert.


Die clevere Ladestation zum Mitnehmen

Mobile Ladestationen mit verschiedenen Steckdosenadaptern.

Eine mobile Ladestation kombiniert maximale Ladeleistung mit maximaler Flexibilität. Die Funktion ist identisch wie bei einem Mode 2 Ladekabel, jedoch ist die mögliche Ladeleistung deutlich höher.

Je nach Art der Netzsteckdose sind Ladeleistungen von 3,7 kW bis zu 22 kW möglich. Somit können die Fahrer von E-Autos an so gut wie jeder Steckdose „nachtanken“.

Für den problemlosen Steckdosenanschluss stehen die unterschiedlichsten Adapter zur Verfügung. Und anhand der Codierung der Steckeradapter erkennt die Ladestation selbsttätig, wie hoch der zur Verfügung stehende Stromanschluss belastet werden darf.

Zurück in der heimischen Garage wird die mobile Ladestation einfach in die Wandhalterung eingehängt und an einer CEE-Steckdose angeschlossen. Jetzt arbeitet sie ebenso schnell und zuverlässig, wie eine fest installierte Wallbox.


Das Elektroauto mit Solarstrom laden

Stetig steigende Kosten und immer geringere Einspeisevergütungen nagen an der Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen.


Anstatt den selbsterzeugten Strom zum kleinen Preis an Stromnetzbetreiber zu verkaufen, sollte der kostengünstige Solarstrom besser für den Eigenverbrauch verwendet werden.


Da bietet sich das Laden eines Elektroautos geradezu an. Abgesehen davon, dass die Energiegewinnung für den Betrieb eines Elektroautos absolut emissionsfrei ist, kann man auch noch richtig sparen

Mit Solarstrom kostengünstig laden und emissionsfrei fahren.

Hier ein kleines Rechenbeispiel:

Bei einer jährliche Fahrleistung von ca. 25.000 km und einem durchschnittlichen Energieverbrauch des Elektroautos von 16 kWh/100 km ergibt das einen Jahres-Energieverbrauch von ca. 4.000 kWh.

Die Energiekosten bei Netzstrom (26 – 30 ct/kWh) betragen dann 1.040,- bis 1.200,- Euro.

Die Energiekosten bei Solarstrom (11 – 14 ct/kWh) betragen dann 440,- bis 560,- Euro.

Das ergibt eine jährliche Einsparung von rund 600,- Euro!

Noch interessanter ist die Anschaffung eines Elektroautos, wenn die vorhandene Solaranlage bereits längere Zeit besteht und der Vertag zur Einspeisevergütung ausgelaufen ist bzw. in absehbarer Zeit ausläuft. In diesem Fall hat sich die PV-Anlage bereist amortisiert und es fallen nur noch minimale Kosten für Wartung und Instandhaltung an. Demzufolge gibt es den Solarstrom quasi fast zum Nulltarif.

Unidirektionales und bidirektionales Laden

Beim unidirektionalen Laden fließt der Solarstrom von der PV-Anlage über die Ladestation zum Elektroauto. Wenn also die Solaranlage mehr Strom erzeugt, als gerade im Haus benötigt wird, fließt der überschüssige Strom in die Fahrzeugbatterie.

Bei bidirektionalen Lade-Systemen kann die in der Fahrzeugbatterie gespeicherte Energie genutzt werden, um am Abend oder in der Nacht die Verbraucher im Haus zu versorgen. Die Fahrzeugbatterie dient quasi als Zwischenspeicher und es muss keine teure Netzenergie zugekauft werden. Allerdings befinden sich bidirektionale Ladestationen noch in der Entwicklungs- bzw. Testphase.


Häufig gestellte Fragen zu Ladestationen für Elektroautos

Wieso dauern die letzten 20% beim Laden deutlich länger?

Der Grund dafür liegt in der Ladespannungsbegrenzung. Bei Lithium-Akkus darf die Ladespannung einen bestimmten Wert pro Zelle nicht übersteigen. Die Akkus würden sonst Schaden nehmen. Beim Schnellladen eines leeren Akkus steigt die Spannung kontinuierlich an, um einen dauerhaft hohen Ladestrom zu ermöglichen. Wenn die maximale Ladespannung erreicht ist, sind die Akkus aber noch nicht 100% voll. Die Ladespannung wird nun stabil auf dem maximalen Wert gehalten und der Ladestrom geht langsam zurück. Der Ladestrom wird jetzt nicht mehr durch das Ladegerät sondern durch den Akku bestimmt. Erst wenn der Ladestrom bei max. Ladespannung einen minimalen Wert erreicht hat, ist der Lithium-Akku zu 100% geladen.
 

Ist langsames Laden besser für den Akku, als eine Schnellladung in 30 Minuten?

Ein Ladevorgang, bei dem in 30 Minuten 80% in den Akku geladen wird, belastet den Akku deutlich mehr, als ein Ladevorgang über 2 bis 4 Stunden. Auf der anderen Seite ist ein Laden mit geringem Strom über 12 oder mehr Stunden auch nicht optimal. Wichtig beim Laden ist immer die Akkutemperatur. Im Bereich von 20 – 40 °C fühlen sich Lithiumakkus am wohlsten. Beim Schnellladen kann ohne vernünftiges Batterie- und Temperatur-Management die Akkutemperatur schnell die 40°C-Marke überschreiten.

Was führt zum vorzeitigen Altern der Fahrzeug-Akkus?

Die Akkus, mit denen ein Hersteller seine Fahrzeuge ausrüstet, sind problemlos in der Lage hohe Leistungen aufzunehmen und abzugeben. Trotzdem sind die Akkus einer gewissen kalendarischen Alterung unterworfen. Ein weiteres Kriterium ist die Nutzungshäufigkeit und die Standzeiten zwischen den Nutzungen. Den größten negativen Einfluss jedoch haben sehr hohe Leistungen bei sehr tiefen und sehr hohen Temperaturen.


Wo finde ich öffentliche Ladepunkte?

Die Ladeinfrastruktur wird immer weiter ausgebaut, sodass die Besitzer von E-Fahrzeugen flächendeckend Stromtankstellen finden. Mittlerweile gibt es auch Apps für das Smartphone, wo alle Ladepunkte einer Region übersichtlich dargestellt werden.

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