Wie weit ist die Ladetechnologie und -Infrastruktur für E-Autos?

Die Möglichkeit, das Elektrofahrzeug aufzuladen – sei es zu Hause an der Wallbox, auf dem Supermarkt-Parkplatz oder am Supercharger an der Raststätte – ist essenziell wenn es um die Akzeptanz von Elektromobilität bei den Nutzern geht. Doch nicht nur die Ladeinfrastruktur, sondern auch Themen wie Benutzerfreundlichkeit, Abrechnung, unterschiedliche Steckertypen und verfügbare Ladeleistungen werfen immer wieder Fragen auf.

• Welche Ladestecker gibt es?
• Wie lange dauert es, ein E-Auto aufzuladen?
• Warum ist Kompatibilität bei Ladestationen noch immer ein Problem?
• Wie sieht die Zukunft der Ladetechnik für E-Autos aus?
• Was ist Plug & Charge?
• Lassen sich öffentliche Ladesäulen updaten?
• Woraus besteht eine E-Auto-Ladesäule?
• Was ist intelligentes Laden?
• Was bedeutet der neue Standard ISO 15118-20 für intelligentes Laden? ?
• Wie lassen sich noch mehr Schnellladestationen aufbauen?
• Wie funktioniert das Energiemanagement im E-Auto?
• Wie muss sich das Stromnetz für mehr Ladeinfrastruktur verändern

Welche Ladestecker für E-Autos gibt es?

International gibt es keinen Standard für Ladestecker. Doch je nach Region haben sich verschiedene Steckertypen durchgesetzt. Diese variieren z. B. nach Ladeleistung und Standardisierung. In Europa sind vier Steckertypen relevant:

• Typ1-Stecker (Lösung aus Japan) sind nicht kommunikationsfähig, Leistung bis 7,6 W, 230 V, einphasiges Laden mit Wechselstrom, Norm SAE J1772
• Typ-2-Stecker (in Europa favorisiert) sind kommunikationsfähig, Leistung bis 43,5 kW, 400 V, ein- und dreiphasiges Laden mit Wechselstrom, an öffentlichen und privaten Ladestationen oder Wallboxen, Norm EN 62196 Typ 2
• Combostecker des Combined Charging Systems CCS (von europäischen Herstellern als Standard favorisiert), sind kommunikationsfähig, Leistung bis 350 kW, 400 V (bis 950 V), 5-phasige Schnellladung mit Gleichstrom, auch Combo-2 genannt, an Schnellladestationen, Norm IEC 62196
• CHAdeMO (von japanischen Herstellern favorisiert), sind kommunikationsfähig, Leistung bis 200 kW, Schnellladung mit Gleichstrom, an Schnellladestationen

Wie lange dauert es, ein E-Auto aufzuladen?

Die Zeit für das Aufladen der E-Auto-Batterie hängt davon ab, wie leistungsfähig die Ladestation ist. Im heimischen Bereich werden E-Autos und Hybride aus dem normalen 230-V-Netz mit Wechselstrom geladen. Der AC/DC-Wandler im fahrzeuginternen Ladegerät (On-Board-Charger, OBC) wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom, da eine Batterie sich nur mit Gleichstrom laden lässt und auch nur Gleichstrom abgeben kann. Das Laden der Batterie dauert so bis zu acht Stunden.

Wallboxen mit 11 kW oder 22 kW für die Garage oder öffentliche Ladesäulen mit mehr als 100 kW sind leistungsfähiger als Haushaltsanschlüsse und erlauben damit deutlich kürzere Ladezeiten. Schnellladesäulen, die derzeit Ladeleistungen bis 350 kW liefern können, bringen schon mit 15 bis 30 Minuten Ladezeit deutlich mehr Reichweite ins E-Auto. Allerdings sollte beim Schnelllademodus die Batterie nur bis zu 80 Prozent aufgeladen werden, um die Batterie zu schützen.

Warum ist Kompatibilität bei Ladestationen von Elektrofahrzeugen noch immer ein Problem?

Um Autos mit Verbrennungsmotor gänzlich überflüssig zu machen, müssen E-Fahrzeuge eine wirklich große Reichweite haben. Dazu muss sich ein E-Fahrer darauf verlassen können, dass die nächste Ladestation auf seiner Route betriebsbereit ist und mit seinem Fahrzeug kompatibel ist. Das mag trivial klingen, ist aber in Wirklichkeit sehr komplex zu realisieren.

Während die meisten relevanten normativen Spezifikationen zwischen 2014 und 2015 veröffentlicht wurden, enthielten sie keine entsprechenden Tests, um die Konformität der Implementierung zu überprüfen. 2021, inmitten einer Welle von EVs der 2. Generation aller großen Automobilhersteller, sind die Interoperabilitätsprobleme beim Laden noch nicht gelöst. Der Grund dafür ist klar: Eine CCS-Ladeschnittstelle ist sehr komplex, da sie Hochspannung und die Übertragung einer erheblichen Menge an elektrischer Energie beinhaltet. Zweitens: Das Design von Autos geschieht nach spezifischen Automobilstandards, während die Ladeinfrastruktur eher generischen elektrotechnischen Standards folgt.

Wie sieht die Zukunft der Ladetechnik für E-Autos aus?

Auf der einen Seite soll die Ladeinfrastruktur möglichst schnell wachsen. Auf der anderen Seite sollen Ladesäulen auch intelligent und komfortabel sein – und damit heute schon das können, was fahrzeugseitig erst mit der nächsten Generation eingeführt wird. Notwendig sind passende Lösungen – einschließlich Plug & Charge. Das Funktionieren einer Ladeinfrastruktur aus Tausenden von Ladesäulen ist darauf angewiesen, dass die Kommunikation zwischen Ladestation, Fahrzeugen, lokalem Stromnetz und Netzbetreiber reibungslos abläuft. Hier gilt es vor allem, die Cybersicherheit der Ladeinfrastruktur in Echtzeit zu überwachen.

Zugleich unterliegt die Technik der Lade-Infrastruktur einer stürmischen Entwicklung. Gesetzliche Anforderungen – wie die Eichrechtskonformität –, Weiterentwicklung der relevanten Normen und Standards, und der Anspruch der Anwender nach mehr Komfort zwingen zu ständigen Aktualisierungen.

Mit zunehmender Elektrifizierung wird die Komplexität des Bordnetzes deutlich zunehmen. Um dies zu entschärfen, bietet es sich an, die Lade- und Lastseite der Batterie voneinander zu trennen. Ein Aufbau mit zwei 400-V-Batterien würde zum Beispiel das Laden mit 400 V oder 800 V ermöglichen, je nachdem, ob die Batterien parallel oder in Reihe geschaltet sind. In ähnlicher Weise kann ein Traktionsumrichter auf der Lastseite mit 400 V oder 800 V betrieben werden. Hierfür sind leistungsfähige und flexibel einsetzbare DC/DC-Wandler notwendig.

Was ist Plug & Charge an der Ladesäule für E-Autos?

Insbesondere ein Thema bewegt Fahrer und Hersteller von Elektrofahrzeugen: Noch ist das Tanken von Strom nicht so einfach wie das Tanken von Benzin und Diesel. Unter dem Schlagwort Plug & Charge hat eine Entwicklung eingesetzt, die Anmeldung und Bezahlvorgang automatisieren soll. Erste Modelle aus dem VW-Konzern sind bereits dafür vorbereitet, andere Marken wollen folgen. Voraussichtlich 2025 dürfte die Funktion Standard in vielen elektrischen Neufahrzeugen sein.

Beim Plug & Charge hinterlegt der Fahrer die Daten zur Abrechnung einmalig im Fahrzeug. Wird das Auto an der Ladesäule angesteckt, dienen diese Daten der Identifikation, ohne dass der Fahrer manuelle Eingaben machen muss. Nach dem Ende des Ladevorgangs wird der angefallene Betrag automatisch von Konto oder Kreditkarte abgebucht oder anderweitig verrechnet, beispielsweise über den heimischen Stromanbieter. Dabei ist es jedoch auch wichtig, dass die Abrechnung stimmt. Dafür gibt es spezielle eichrechtskonforme Lösungen.

Lassen sich öffentliche Ladesäulen updaten?

Öffentliche Ladesäulen, die z.B. auch auf Parkplätzen öffentlicher Einrichtungen wie Krankenhäusern zur Verfügung stehen, bieten Besuchern und Mitarbeitern eine bequeme Lademöglichkeit. Dabei ist es wichtig, dass die vorhandene Ladeinfrastruktur sich auf zukünftige technische Standards updaten lässt. Hier gibt es erste Vorgaben der EU, die teilweise noch kontrovers diskutiert werden. Gerade bei der Nachvollziehbarkeit und bei der Eichrechtskonformität können schnell Probleme auftreten.

Eine Möglichkeit für die Erweiterung bzw. das Update der Ladesäulen ist die Verwendung eines geeigneten Ladereglers, der eine Grundlage für AC-Ladestationen darstellt. Diese Komponenten sollten allem voran sicher, aber auch wirtschaftlich sein und nicht viel Platz einnehmen. Zukunftssicher sind sie, wenn sie eine Vielzahl integrierter Schnittstellen und Funktionalitäten bieten. In Punkto Sicherheit müssen die Laderegler der neuen IEC-62955-DC-Fehlerstromüberwachung entsprechen.

Woraus besteht eines E-Auto-Ladesäule?

Die sichtbaren Komponenten der Ladesäule sind das Gehäuse, das Ladekabel und der Ladestecker sowie das Display und andere Schnittstellen für die Kommunikation mit dem Nutzer. Gerade Displays bzw. das Human Machine Interface der Ladestationen bieten immer mehr Funktionen bzw. Infotainment und sind meist als Touch-Lösungen ausgeführt. Oberste Priorität hat hier die Sicherheit, weshalb spezielle Schutzgläser zum Einsatz kommen. Im Inneren der Ladesäule arbeitet ein Ladecontroller. Die Steuerung kommuniziert als zentrales Element mit dem Fahrzeug, überwacht den Ladevorgang, regelt Parameter wie den Ladestrom und übernimmt optional weitere Aufgaben – etwa die Visualisierung auf dem Bedien-Panel. Neben dem DC-Laden unterstützen diese Controller auch AC-Laden. Außerdem enthält eine Ladesäule die Stromversorgung, weitere Steuerungen, Sicherheitsmodule, Energiezähler, Leistungselektronik, Cloud-Koppler und Kabel und ein Kühlsystem. Software steuert die Cloud-Ankopplung, die Visualisierung für die Bedien-Oberfläche und weitere Funktionen. Die Daten der Ladevorgänge, also Strom, Spannung, Energiewerte, Auslastung des Ladepunktes sowie Predictive Maintenance werden in die Cloud übertragen und sind damit online weltweit verfügbar. Außerdem enthält eine Ladesäule die Stromversorgung, passive Bauelemente wie z. B. Kondensatoren

Zu einer Ladesäule gehört auch die entsprechende Rechentechnik, die die Energiemessung, die Leistungselektronik und die Ablaufsteuerung erst ermöglicht. Bei den dafür zum Einsatz kommenden CPU-Modulen oder Single-Board-Computern ist darauf zu achten, dass diese besonders robust für den Außeneinsatz sind, aber trotzdem nur wenig Raum einnehmen.

Was ist intelligentes Laden eines Elektrofahrzeugs?

Obwohl das Aufladen eines Elektrofahrzeugs zu Hause relativ einfach ist, kann es an einer öffentlichen Ladestation schon komplizierter sein: Das Starten des Ladevorgangs erfordert neben dem Einlesen einer Authentifizierungskarte noch weitere Schritte.

Die Welt verändert sich jedoch schnell, sie ist nun an einem Punkt angelangt, an dem das Laden eines Elektrofahrzeugs so einfach sein sollte wie das Aufladen eines Mobiltelefons. Beim Aufladen von Smartphones gab es im Laufe der Jahre große Fortschritte. Beim Laden von Elektrofahrzeugen wäre das auch wünschenswert.

Telemotive Intelligent Charging bietet einen Ansatz, der das Laden von Elektrofahrzeugen verbessert. TIC verwendet Power Line Communication (PLC), wodurch das Fahrzeug als eine Art Transceiver mit internetbasierten Diensten verbunden ist, die Authentifizierung, Bezahlung und andere Dienste ermöglichen. Bei der Verwendung von TIC überträgt das Ladekabel selbst Daten und stellt so eine Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation her. Dieser Ansatz eröffnet dem Fahrer neue Möglichkeiten: Spezifische Ladepläne lassen sich damit schnell, komfortabel, sicher und auf intelligente Weise realisieren.

Was bedeutet der neue Standard ISO 15118-20 für intelligentes Laden?

Die Idee des Smart Chargings bestimmt schon seit Jahren viele Diskussionen rund um die Elektromobilität. Die Veröffentlichung des Teildokuments ISO 15118-20 im April 2022 markiert einen Meilenstein auf dem Weg zur künftigen Elektromobilität.  

Die ISO-Norm 15118 definiert die Grundlagen der Ladekommunikation für das in Europa und den USA vorherrschende Ladesystem CCS (Combined-Charging-System). CCS nutzt dieselbe Steckverbindung (CCS-Type-2) sowohl zum Laden mit Wechselstrom (AC-Laden) als auch zum Schnell-Laden mit Gleichstrom (DC-Laden). Aktuell produzierte und zugelassene Elektrofahrzeuge unterstützen idealerweise ISO 15118-2 in der sogenannten ersten Generation, welche fünf Teildokumente umfasst. Das Teildokument ersetzt das Teildokument ISO 15118-2 und beschreibt die Anforderungen an das Netzwerkprotokoll sowie das Anwendungsprotokoll. Die Neuerungen finden sich in den Bereichen Energy-Transfer-Modes, Physical-Layer sowie Security. Als neue Energy-Transfer-Modes kommen neben dem Bidirectional-Power-Transfer (BPT) zusätzlich Wireless-Power-Transfer (WPT) sowie Automatic-Connecting-Device-Pantograph (ACD-P) hinzu.

Wie lassen sich noch mehr Schnellladestationen aufbauen?

Damit Verkehrsteilnehmer ihre E-Autos in weniger als 15 Minuten an Schnellladestationen aufladen können, muss das Netz Spitzenleistungen von mehr als 1 MW bereitstellen. Energie­speicher­systeme können das Netz hierbei unterstützen.

E-Autos müssen regelmäßig aufgeladen werden. Dies geschieht entweder langsam über Nacht zu Hause an der Steckdose, an einem wenige Kilowatt starken Gleichstrom-Ladegerät, schnell an öffentlichen Ladestationen oder superschnell an künftigen Elektro-Tankstellen. Beim Finden der Ladesäulen wird der Fahrer zunehmend von intelligenten Funktionen im Navigationssystem unterstützt. Dafür braucht es ein System mit robusten Routing-Funktionen und umfassendem Kartenmaterial.

Auch der Markt für die Erzeugung erneuerbarer Energien wächst ständig. Solarenergie, die heute weniger als fünf Prozent zur weltweiten Stromerzeugung beiträgt, soll im Jahr 2050 voraussichtlich mehr als ein Drittel davon ausmachen.

Angesichts der Tat­sache, dass es künftig sowohl intermittierende Lasten als auch inter­mittierende Energiequellen gibt, liegen die Herausforderungen vor allem in der Frage, wie sich diese neuen Akteure im Energie-Ökosystem mit­ein­ander kombinieren und ins Netz inte­grieren lassen. Intermittierende Lasten erfordern einen Ausbau der Übertragungsleitungen.

Damit alle Elemente dieses komplexen Systems reibungslos zusammenarbeiten können, braucht es Energiespeichersysteme, die abhängig vom Bedarf Energie bei geringer Nachfrage speichern und zum Abfedern von Spitzenlasten wieder freigeben können.

Energiespeichersysteme (ESS) sind das elektrische Äquivalent zu Kraftstofftanks. Sie lassen sich sowohl im Wohnbereich als auch im industriellen Maßstab einsetzen.

Wie funktioniert das Energiemanagement im E-Auto?

Energiemanagement für Elektrofahrzeuge wird heute oft noch primär als Management der Entladeströme des Lithium-Ionen-Akkus verstanden. Dabei gilt dann das Motto: Wenn die Restreichweite sinkt, werden energieintensive Verbraucher wie die Sitzheizung oder andere Funktionen abgeschaltet. Dabei wird übersehen, dass aus Anwendersicht das Energiemanagement wesentlichen Einfluss auf den Nutzwert des Fahrzeugs sowie – über die Größe des Batteriespeichers – auf die Anschaffungskosten hat.

Auch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und 12-, 24- oder 48-Volt-Bordnetz verfügen bereits über ein Energiemanagementsystem. Hintergrund für die Einführung um das Jahr 2000 herum waren die stetig steigenden Lasten im Niedervoltsystem durch neue elektrische Verbraucher, die zum Teil eine Ruhestromversorgung benötigten. Mit der in den letzten Jahren forcierten Einführung von Hochvoltantrieben in Hybrid- und Elektrofahrzeugen etablierte sich eine zweite Stufe des Energiemanagements. Besondere Aufmerksamkeit gilt einerseits der Steuerung der Ströme auf Verbraucherseite, andererseits dem Leistungsmanagement innerhalb des Akkus, insbesondere dem lebensdauerfördernden Ausbalancieren der Potenziale zwischen den Batteriezellen.

Fahrzeuge mit einem Produktionsstart ab dem Jahr 2020 verfügen fast durchgängig über eine Cloud-Anbindung an ein Backend des Fahrzeugherstellers. Das ermöglicht eine neue Form des Energiemanagements, das auf einer breiteren Datenbasis basiert, zu der alle Fahrzeuge im Feld beitragen. Dadurch können beispielsweise neue Erkenntnisse zum Alterungsverhalten des Akkus über Software-Updates in die Betriebsstrategie einfließen. Zudem ermöglicht die Echtzeit-Anbindung neue Funktionen wie das Routen des Fahrzeugs zu freien Ladestationen.

Eine weitere Evolutionsstufe erreichen Elektrofahrzeuge etwa ab Mitte dieses Jahrzehnts. Das Energiemanagement 4.0 unterscheidet sich von aktuellen Lösungen wesentlich durch eine Mustererkennung, die eine permanent aktualisierte Reichweitenberechnung im Sinne eines „elektrischen Horizonts“ ermöglicht. Dafür kommen nicht nur die in einem digitalen Zwilling des Fahrzeugs gespeicherten historischen Betriebs- und Nutzungsdaten, sondern auch weitere externe Datenquellen, etwa Kalender, Verkehrs- und Wetterdaten, zum Einsatz. So wird nicht nur ein prädiktives Energiemanagement an Bord des Fahrzeugs, sondern auch eine prädiktive Ladestrategie möglich.

Wie muss sich das Stromnetz für mehr Ladeinfrastruktur verändern

Die Popularität von Elektrofahrzeugen hat weit mehr Auswirkungen auf die Welt, als die Autos selbst. Die gesamte Infrastruktur des Stromnetzes muss sich ändern, um die Lademöglichkeiten für E-Autos sicherzustellen. An vielen Orten, an denen es nicht möglich ist, die Strommenge seitens der Versorger zu verdoppeln, wird mehr nachhaltige Energie erzeugt oder es entstehen lokale Mikronetze, so dass die Verbraucher einen Teil davon zuhause durch Solarenergie oder andere Mittel erzeugen können. Da hohe Energiemengen bewegt werden, um schnelles Laden zu ermöglichen, entwickeln sich Geschäftsmodelle, an die bisher noch nicht gedacht wurde.