Wie funktionieren Schnellladestationen?

Stand Juli 2022 sind ca. 80 elektrische Fahrzeugmodelle von deutschen Herstellern auf dem Markt. Der Bundesnetzagentur sind 55.570 Normalladepunkte und 10.231 Schnellladepunkte gemeldet, die sich am 1. August 2022 in Betrieb befanden. Die Bundesregierung beschloss neue Anreize für die Elektromobilität, die die Nutzung von dieser attraktiver machen soll. Diese Anreize bestehen aus zeitlich befristeten Kaufanreizen, weiteren Mitteln für den Ausbau der Ladeinfrastruktur, zusätzlichen Anstrengungen bei der öffentlichen Beschaffung von Elektrofahrzeugen sowie aus steuerlichen Maßnahmen. Damit mehr Schnellladestationen entstehen können, haben die lokalen Regierungen in Deutschland Maßnahmen und Zeitpläne dafür eingeführt.

Was gilt als Schnellladen bei Elektrofahrzeugen?

Das Schnellladen startet offiziell bei 50 Kilowatt (kW) Ladeleistung und reicht derzeit bis zu 350 kW. Ab 150 kW spricht man vom sogenannten „High Power Charging“ (HPC) oder „Ultraschnellladen“. Das Auffüllen des Akkus für 100 Kilometer Reichweite dauert nur wenige Minuten. Als Zielzeit bei der Ladung gilt ein voller Ladevorgang von 10 auf 80 Prozent (State of Charge/SOC) in weniger als 20 Minuten. Der Genesis GV60 beispielsweise garantiert dies in 18 Minuten schaffen zu können.

Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge werden dafür gebaut, dass sie eine hohe Ladeleistung haben und die Batterien der elektrischen Fahrzeuge in einem kurzen Zeitraum laden können. Herkömmliche Ladestationen verwenden in der Regel Wechselstrom (AC). Schnellladestationen hingegen verwenden Gleichstrom (DC), um so eine höhere Ladeeffizienz bieten zu können. Um dies schaffen zu können, ist der Gleichrichter notwendig. Er wandelt in einer Schnellladestation Wechselstrom aus dem Stromnetz in Gleichstrom um, der dann für das Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs genutzt wird.

Denn es gilt: die wichtigste Voraussetzung für schnelles Laden ist Gleichstrom (DC). Da der gewöhnliche Strom aus der Steckdose jedoch eigentlich immer Wechselstrom (AC) ist, muss dieser in einem ersten Schritt vor der Ladung zunächst in Gleichstrom umgewandelt werden. Bei Schnellladesäulen vollzieht sich dieser Prozess in der Ladesäule. Dies bedeutet, die Umwandlung erfolgt direkt in der Ladestation und aus dem Stecker der Ladesäule fließt direkt Gleichstrom.

Die Leistung liegt nun zwischen 50 bis 350 KW/Stunde, aus einer herkömmlichen Haushaltssteckdose kommen vergleichsweise nur ca. 3 kW/Stunde. Elektroautos normalerweise eine Speicherkapazität von 40 bis 100 kW. Aus diesem Grund könnte die Ladedauer mit einem Schuko-Stecker bis zu 16 Stunden betragen, während Laden an Schnellladesäulen in 8 Minuten möglich ist. Somit wäre eine Ladung der Akkus von Elektrofahrzeugen in unter 10 Minuten vollständig möglich. Falls bei schlechtem Wetter oder Dunkelheit kein vollständiger Ladevorgang möglich ist, kann dieser nach benötigter Reichweite den Ladevorgang auch früher abgebrochen werden.

Schnellladestationen können Elektrofahrzeuge nur dann mit Gleichstrom laden, wenn auch die anderen Komponenten des Ladevorgangs dies ermöglichen. Zu diesen Komponenten gehört das Ladekabel, der Stecker und natürlich das Elektroauto selbst. In dem Fall, dass das Kabel oder der Stecker nicht mit hohen Ladeleistungen umgehen kann, wird die Ladung durch diese automatisch durch das schwächste Glied in der Kette gedrosselt oder sogar verhindert.

Elektrofahrzeuge verwenden unterschiedliche Ladeprotokolle, um mit der Schnellladestation zu kommunizieren und somit die Ladeleistung zu regeln.

Das in Europa als Standard etablierte Mode-3-Ladekabel mit Typ-2-Stecker erlaubt ungedrosseltes Laden bis zu 22 Kilowatt, das gängigste Protokoll für Schnellladestationen ist aber das Combined Charging System (CCS) oder CHAdeMO, das besonders in Japan, verbreitet ist und mit dem sowohl AC Laden als auch DC Laden möglich ist. Diese Protokolle ermöglichen eine effiziente Kommunikation zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug, um somit die optimale Ladeleistung zur Verfügung zu stellen.

Während des Ladevorganges kann von einer Schnellladestation entweder eine konstante Stromabgabe oder konstante Leistungsabgabe geboten werden. Im Falle einer konstanten Stromabgabe wird der Ladestrom während des gesamten Ladevorgangs beibehalten, wohingegen bei einer konstanten Leistungsabgabe wird die Ladeleistung in Abhängigkeit von der Batteriespannung und dem Ladezustand des Fahrzeugs angepasst wird.

Während des Ladevorgangs wird durch die Schnellladestation die Batterietemperatur des Elektrofahrzeugs überwacht. So soll dafür gesorgt werden, dass sie sich stets in einem akzeptablen Bereich befindet, denn eine zu hohe Batterietemperatur kann dazu führen, dass die Ladeeffizienz verringert werden kann, und die Batterielebensdauer ebenfalls verringert werden kann. Falls es notwendig ist, kann die Ladestation die Ladeleistung reduzieren, um somit die Batterietemperatur zu kontrollieren.

Die tatsächliche Ladezeit an der Schnellladestation hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von der Batteriekapazität des Fahrzeugs, dem Ladezustand der Batterie, der Leistung der Ladestation und dem Ladeprotokoll, welches vom Fahrzeug unterstützt wird. Mittlerweile kann die Elektrofahrzeugbatterie innerhalb von etwa 30 Minuten auf 80% ihrer Kapazität an modernen Schnellladestationen aufgeladen werden. Daraus resultieren kürzere Ladezeiten und somit die bessere Eignung von Elektrofahrzeugen auch für Langstreckenreisen.

Die kontinuierliche Steigerung der Ladeleistung von Schnellladestationen wird eine der zukünftigen Hauptentwicklungen im Bereich rund um Elektrofahrzeuge sein und von Forschung und Technologie unterstützt werden, sodass nach wenigen Minuten Laden an Ladestationen bereits beachtliche Weiten zurückgelegt werden können.