Welche Möglichkeiten gibt es Elektrofahrzeuge zu laden? Verantwortung leben - Zukunft gestalten. Autor: Dr.-Ing. Jürgen Kölch.

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1 Welche Möglichkeiten gibt es Elektrofahrzeuge zu laden? Verantwortung leben - Zukunft gestalten Autor: Dr.-Ing. Jürgen Kölch Whitepaper

2 Spätestens nach der Anschaffung eines Elektrofahrzeugs als Privatperson oder Fuhrparkmanager eines Unternehmens/Kommune stellt sich die Frage nach der passenden Ladeinfrastruktur. Die oft mit dem Fahrzeug mitgelieferte Lademöglichkeit für die Steckdose ist für die Aufladung über Nacht in der heimischen Garage in über 90% der Fälle ausreichend. Möchte man allerdings die Komfortzone um seine heimische Steckdose verlassen, ist die Kenntnis der unterschiedlichen Lademöglichkeiten zur Anschaffung von individuell auf das Fahrzeug zugeschnittenen Adaptern und Kabeln unentbehrlich. Die Ladezeit und der Nutzwert des Elektrofahrzeugs können sich damit zum Teil deutlich verbessern. Klassiker: Wechselstrom-Ladung (AC) Das klassische Laden über eine Schutzkontakt-Steckdose, wie sie jeder zu Hause hat, hat den großen Vorteil der hohen Verfügbarkeit. Nachteilig ist allerdings eine mögliche Erwärmung der Steckverbindung bis hin zum Schmelzen, wenn Ströme von 16 A (entspricht 3,7 kw) fließen. Möchte man unterwegs an einer Haushaltssteckdose laden, nimmt man einfach einen Adapter von Camping auf Schuko und reduziert den Ladestrom per Umschalter und muss nicht zusätzlich ein Schuko-Ladekabel mitführen. Bild 2: ICCB mit Camping- und Typ 1-Stecker mit Umschaltmöglichkeit zwischen 9 und 14 A (Fa. Bettermann) Eine Vielzahl möglicher Stromanschlüsse bietet die Park & Charge Box seit ca. 20 Jahren. Neben einer Schuko-Steckdose ist auch eine blaue CEE- (Camping-) Dose und zum Teil ein roter Drehstromanschluss mit 11 kw integriert. Für eine pauschale Jahresgebühr erhält der Fahrzeugnutzer einen kodierten Schlüssel mit Flatrate-Zugang zu allen ca. 500 Park & Charge Ladeboxen. Bild 1: Verschmorter Haushaltsstecker Den Fahrzeugen liegt normalerweise eine In Cable Control Box (ICCB) bei, mit der man gefahrlos an einer Haushaltssteckdose laden kann. Dieser Ziegelstein beinhaltet einen FI-Schutzschalter (RCD = Residual-Current-Circuit-Device oder umgangssprachlich FI = Fehlerstromschutzschalter), der einen Personenschutz für das nachgelagerte Elektrofahrzeug ermöglicht und zudem die Ladeleistung typischerweise auf 10 A reduziert, um verschmorte Stecker zu verhindern. Möchte man aber unterwegs schneller als 10 A laden, empfiehlt sich eine spezielle ICCB mit einem CEE-blau-Stecker (Camping-Stecker), der auf eine dauerhafte Ladeleistung von 16 A ausgelegt ist (siehe Bild). Damit kann beispielsweise bei einem Nissan Leaf die Ladezeit (komplett leer zu voll) von elf auf knapp sieben Stunden reduziert werden. In der Regel wird die Fahrzeugbatterie nicht komplett leer gefahren, so dass der Unterschied der Ladezeiten im Realbetrieb nicht so stark ist. Bild 3: Park & Charge Lademöglichkeit Rote Drehstromanschlüsse, die dreiphasig mit 16 oder 32 A je Phase unter anderem in der Landwirtschaft und im Baugewerbe eingesetzt werden, haben eine Leistung von 11 bzw. 22 kw. Ein Beispiel für eine geschlossene Liste ist die Drehstromkiste, die aufgrund einer privaten Initiative ins Leben gerufen wurde. Jeder der eine Drehstromkiste aufbaut (mindestens ein roter Drehstromanschluss notwendig) und diese mit kodiertem Schlüssel anderen Elektroautofahrern bereitstellt, erhält das komplette Drehstrom-Verzeichnis und kann gegen Tankspende dort laden. Seite 2 von 5

3 Bild 4: Drehstromkiste Drehstromanschlüsse sind etwas sperrig bei der Handhabung und beim Ein- und Ausstecken liegt Strom an. Abhilfe schafft die genormte Steckverbindung für Elektrofahrzeuge nach der IEC Norm, deren Typ 2 Mennekes-Stecker für Europa nun der De-facto-Standard ist. Dieser ermöglicht ein- oder dreiphasiges Laden mit Leistungen bis zu 43 kw. Die Spannung wird erst zugeschaltet, wenn das System erkannt hat, dass die Stecker fahrzeug- und infrastrukturseitig vollständig eingesteckt und verriegelt wurden und die Schutzkontaktverbindung korrekt ist. Mit einem Typ 2 zu Typ 2 Kabel können dreiphasige E-Fahrzeuge wie der Renault Zoe und der Tesla Model S mit 11, 22 oder 43 kw laden. Dies entspricht 16, 32 oder 63 A je Phase. Einphasige Ladung mit 3,6 oder 7,4 kw (entsprechend 16 oder 32 A je Phase) ist mit Typ 2 zu Typ 2 mit BMW i3, VW e-golf oder VW e-up möglich. Fahrzeuge mit einem Typ 1 Yazaki Stecker wie der Nissan Leaf und die Drillinge (Mitsubishi i-miev, Citroen C-Zero, Peugeot ion) benötigen ein Typ 2 zu Typ 1 Kabel. Bild 5: Unterschiedliche Ladekabel Bild 6: Typ 2 Stecker E-Fahrzeug Phasen Stecker Infrastruktur Stecker Fahrzeugseitig Ladeleistung BMW i3 1 Schuko, Typ 2 Typ 2 3,7 kw, 7,4 kw (Option) Renault Zoe 1 oder 3 Typ 2 Typ 2 3,7 bis 43 kw Nissan Leaf 1 Schuko, Typ 2 Typ 1 3,7 kw, 6,6 kw (Option seit 01/15) Drillinge 1 Schuko, Typ 2 Typ 1 3,7 kw Smart Fortwo ed 1 (opt. 3) Schuko, Typ 2 Typ 2 3,3 kw, 22 kw (Option) VW e-up und e-golf 1 Schuko, Typ 2 Typ 2 2,3-3,6 kw Tesla Model S 1 oder 3 Schuko, CEE blau/rot, Typ 2 (Option) Typ 2 Tabelle 1: Übersichtstabelle ausgewählter Elektrofahrzeuge mit möglichen AC-Ladekabeln Drillinge : Baugleiche E-Fahrzeuge Mitsubishi i-miev (Electric Vehicle), Citroen C-Zero und Peugeot Ion 3 bis 11 kw, 22 kw (Option) Seite 3 von 5

4 mitgeliefert. Es gibt Ladeboxen auf dem Markt, die eine Einstellung des Ladestroms zulassen und mit einem umfangreichem Adapterset (Schuko, Camping, CEE blau, CEE rot) die genormte Typ 2 Verbindung mit dem Fahrzeug ermöglichen. Bild 7: Wallbox mit Typ 2 Kabel Wenn einphasig mit mehr als 20 A geladen werden soll, muss die Phasenschieflast beachtet werden und dies mit dem Netzversorger abgeklärt werden, ob dies zulässig ist. Bei einer einphasigen Solareinspeisung sollte nach Möglichkeit versucht werden, die gleiche Phase wie zum Laden des Elektrofahrzeugs zu benutzen. Mit einer intelligenten Ladesteuerung ist es zudem möglich, dass das Fahrzeug entweder ausschließlich mit Solarstrom geladen wird (was die Ladezeit je nach Sonneneinstrahlung stark verlängern kann) oder es wird eine Sofort-Ladung durchgeführt. Besonderheit Renault Zoe: Als bisher einziges Serien-Elektrofahrzeug kann mit bis zu 43 kw mit Wechselstrom (AC) geladen werden. Es werden damit Ladezeiten um 30 Minuten für eine 80%-Ladung vergleichbar mit einer Gleichstrom- (DC-) Ladung erreicht. Eine weitere Besonderheit des Renault Zoe ist die Möglichkeit von Gleichstromfehlern durch den Chameleon-Lader, da er die Wicklungen des Synchronmotors als Bestandteil des Ladegerätes verwendet. Es gibt keine galvanische Trennung zwischen Fahrzeugakku und der elektrischen Hausinstallation. Im Fehlerfall kann ohne diese Trennung ein Gleichstrom vom Fahrzeug ins Hausnetz fließen und einen Fehlerstromschutzschalter Typ A, wie er typischerweise in Hausinstallationen verbaut wird, blind machen, d.h. er würde im Fall der Fälle nicht mehr auslösen. Für die Ladung eines Renault Zoe ist daher ein FI Typ B zum Laden Plicht, allerdings mit dem Nachteil, dass kein FI Typ A vorgelagert sein darf, da er diesen blind machen kann. Renault Zoe ist für die dreiphasige Ladung mit Drehstrom optimiert. Niedrige einphasige Ströme, mit denen andere Elektrofahrzeuge problemlos laden können, sind für den Zoe anspruchsvoll. Durch die hohen Blindströme des Chameleon-Laders wurde schon von Ladedauern von über 19 Stunden bei einer 10 A-Ladung berichtet. Serienmäßig wird dem Fahrzeug kein Ladekabel zur Ladung an einer Schuko-Streckdose Schnellladung mit Gleichstrom (DC) Beim Laden mit hohen Gleichströmen (DC-Laden) gab es bisher das japanische CHAdeMO-System, dass serienmäßig unter anderem von Fahrzeugen wie Nissan Leaf, und den Drillingen Mitsubishi i-miev, Citroen C-Zero und Peugeot ion unterstützt wird. Als neues System wurde nun, als Erweiterung des oben genannten Typ-2-Steckers, das Combined Charging System (CCS) entwickelt. Vorteil ist unter anderem die höhere Übertragungsleistung und in Kombination mit Typ 2 (Combo 2 genannt), die kleinere Öffnung am Elektrofahrzeug. Unterstützt wird es von den Fahrzeugmodellen BMW i3, VW e-golf und e-up, bei denen CCS als Option beim Autokauf geordert werden kann. Die DC-Ladung ist prädestiniert z.b. an Autobahnrastplätzen, um schnell wieder weiterfahren zu können. Das Kabel ist fest an der Ladestation befestigt, der Ladevorgang dauert mit typischen Ladeleistungen von 50 kw eine halbe Stunde bis zu 80% SOC (State of Charge = Ladezustand). Induktives Laden Das induktive Laden von Elektrofahrzeugen steckt bisher noch in der Entwicklung. Das Prinzip ist das Gleiche wie beim Laden einer elektrischen Zahnbürste oder beim Induktionskochherd. Vorteil ist hier der Komfort, denn es muss kein Ladekabel angefasst werden. Auch im öffentlichen Bereich sind die Vorteile wie Vandalismus-Sicherheit unbestritten. Auch die Einrichtung von induktiven Parkbuchten für Elektro-Taxis wäre denkbar. Fazit Die Ladung von Elektrofahrzeugen scheint auf dem ersten Blick weitaus komplizierter zu sein als eine Benzin- oder Dieselbetankung für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. In der Regel werden aber über 90% der Ladeaktivitäten eines Elektrofahrzeugs an bekannter Ladeinfrastruktur (z.b. Wallbox in heimischer Garage) durchgeführt. Dies ist nicht schwieriger als ein Haushaltsgerät an eine Steckdose zu stecken. Wird der Aktionsradius vergrößert, lohnt es sich allerdings speziell für das Fahrzeug zugeschnittene Kabel und ggf. eine Ladebox mitzuführen, die ein schnelleres Laden ermöglichen und so die Ladezeit zum Teil deutlich verringert werden kann. Unter Umständen kann sogar die Anzahl geeigneter Lademöglichkeiten zunehmen. Seite 4 von 5

5 Verantwortung leben - Zukunft gestalten Dr.-Ing. Jürgen Kölch Forschung/Vorentwicklung, Neue Technologien juergen.koelch@evafahrzeugtechnik.de hat an der TU München über die Abgasreinigung pflanzenölbetriebener Dieselmotoren promoviert. Als Post-Doc untersuchte er am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm die Langlebigkeit von PEM-Brennstoffzellen. Seit über zehn Jahren ist er bei EVA Fahrzeugtechnik GmbH in unterschiedlichsten Bereichen wie der Antriebsvorentwicklung alternativer Kraftstoffe, Infrastrukturthemen Wasserstoff / Elektromobilität, Vorketten-Betrachtungen, Ladethemen und der Zweitnutzung gebrauchter Elektrofahrzeugbatterien im Einsatz. Dr. Kölch ist neben seiner Tätigkeit bei der EVA Fahrzeugtechnik GmbH an der Technischen Hochschule Ingolstadt Lehrbeauftragter für Elektromobilität und alternative Antriebskonzepte in der Automobilindustrie und Politische und soziale Trends im Bereich der Mobilität. Wir entwickeln innovative Lösungen für die Mobilität von morgen. EVA Fahrzeugtechnik GmbH Unternehmenskommunikation Heidemannstraße 41a München Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) marketing@evafahrzeugtechnik.de Autor: Dr.-Ing. Jürgen Kölch, EVA Fahrzeugtechnik GmbH Gestaltung: EVA Fahrzeugtechnik GmbH Bildnachweis: Bild 1,2,3,5,6: EVA Fahrzeugtechnik GmbH Bild 4: Dr.-Ing. Jürgen Kölch Copyright 04/2015 EVA Fahrzeugtechnik GmbH, München, Alle Rechte vorbehalten Impressum:

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