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Wie sich die Sicherheit und Lebensdauer des Akkus erhöhen lassen

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Elektrofahrzeuge beziehen ihre Energie aus Lithium-Ionen-Akkupacks. Diese sind – obwohl weltweit milliardenfach vom Auto bis zum Handy eingesetzt – durchaus sensible Konstruktionen. Wer beim Ladevorgang jedoch Sorgfalt walten lässt, kann die Lebensdauer seines Akkus sowie die Sicherheit deutlich erhöhen.

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3-Phasen-Wandladestation mit intelligentem Lade-Management.
3-Phasen-Wandladestation mit intelligentem Lade-Management.
(Bild: Schurter)

Wer mit dem Gedanken an den Erwerb eines Elektrofahrzeugs spielt, stellt sinnigerweise frühzeitig Überlegungen an, wie dieses Fahrzeug mit Energie versorgt werden soll. In den allermeisten Fällen wird es dabei um das Laden zu Hause gehen. Darum wollen wir uns in diesem Artikel auf diesen Punkt beschränken. Worauf muss man achten?

Das schwächste Glied gibt den Takt vor

Die Rechnung zur Ladedauer ist schnell gemacht. Man nehme die Batteriekapazität eines Fahrzeugs in kWh und teile diese durch die Leistung (kW) der Ladestation. So erhält man die Anzahl Stunden für eine Vollladung. Man beachte beim Ladevorgang immer, dass dieser wie eine Kette aus dem Stromnetz, der Ladestation, dem Ladekabel sowie dem Ladegerät besteht. Das schwächste Glied einer solchen Kette gibt stets die maximale Ladeleistung vor. Verkraftet das Ladegerät also nur 6,6 kW, so hilft es nichts, wenn man mit einer 22-kW-Ladestation Strom in die Akkus "pumpt".

Schnelles Laden schadet jedem Lithium-Ionen-Akku. Das Laden und Entladen von Li-Ionen-Zellen kann zu Lithium-Plating führen. Dabei lagern sich Lithium-Ionen auf der Anodenoberfläche ab, anstatt sich zwischen die Schichten des Graphits einzunisten. Dieser Effekt führt zu signifikanten Einbussen an Leistung, Lebensdauer und Sicherheit. In extremen Fällen kann das Lithium-Plating sogar zu einem Kurzschluss oder auch zu einem Brand führen.

Laden am 1-Phasen-Netz vs Laden am 3-Phase-Netz

Die kleinsten verfügbaren Wandladestationen werden netzseitig an das 230-V-/16-A-Haushaltsnetz angeschlossen. An diesen Wandladestationen kann nur einphasig mit bis zu etwa 3,6 kW geladen werden. Das ist nur in wenigen Fällen praktikabel. Etwa bei Fahrzeugen mit geringer Batteriekapazität für Kurzstrecken oder Plug-in-Hybriden, welche nicht ausschließlich auf den Elektromotor angewiesen sind.

Ein Großteil der Wandladestationen für den privaten Bereich wird an 400-V-/16-A-Drehstrom (11 kW max. Ladeleistung) angeschlossen. Diese Möglichkeit bietet praktisch jeder Haushalt ohne zusätzliche Veränderungen am Stromnetz. Die Ladezeiten verringern sich dadurch bereits um rund den Faktor 3.

Vorteilhaft ist insbesondere der einfache Aufbau dieser Wandladestationen, da neben dem 3-phasigen Laden auch die standardmäßigen Bordladegeräte mit 230 V (max. 3,6 kW) ohne weitere Absicherung auf einer Phase betrieben werden können. Wer mehr Leistung benötigt, muss bei der Stromversorgung aufrüsten. Etwa auf eine Wandladestation mit 400 V/32 A (22 kW) oder 400 V/63 A (44 kW).

Dabei ist man allerdings auf die Hilfe eines Fachmanns angewiesen. Zwingend ist auch die Abklärung der technischen (bestehende elektrische Belastung) und rechtlichen (Mieter, Eigentümer) Realisierbarkeit. Im Gegenzug erhält man mit solch leistungsstarken Ladegeräten deutlich kürzere Ladezeiten. Dabei bestimmt aber auch hier wieder die Leistungsfähigkeit des eingebauten Bordladers die letztlich realisierbare Ladeleistung.

Intelligentes Lade-Management

Leistungsfähigkeit ist das eine. Mindestens ebenso wichtig ist es, diese Leistung intelligent und sicher einzusetzen. Hierfür ist Hochleistungselektronik zuständig. Dabei kommuniziert das Lade-Management der Wandladestation mit dem Battery Management System (BMS) des Fahrzeugs. BMS sind verantwortlich für die Steuerung und Kontrolle des Lade- und Entladevorgangs.

Ihre Hauptaufgabe besteht darin, dafür zu sorgen, dass jede einzelne Zelle sowohl beim Laden wie auch Entladen einen für die Anwendung definierten Grenzwert des Ladezustands (SoC = State of Charge) weder unter- noch überschreitet. Der SoC-Wert bezeichnet die noch verfügbare Kapazität eines Akkus im Verhältnis zum Nominalwert.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Hochleistungselektronik bedeutet heute stets hoch getaktete Schaltungen. Und hoch getaktete Schaltungen bergen immer das Risiko von zu hohen Emissionen elektromagnetischer Störsignale. Diese müssen zwingend minimiert werden. Mit EMV-Filtern hoher Dämpfung und einem cleveren Platinen-Layout – im 1-Phasen-Bereich meist gar mit diskreten Komponenten – lässt sich dieses Problem in den Griff bekommen. Ob 1- oder 2-stufige Filter zum Einsatz kommen (müssen), hängt von der Stärke der Störsignale ab, welche vorab ausgemessen werden sollten. Für annähernd jedes Störsignal und jede Leistungsklasse lässt sich so das Problem der Elektromagnetischen Verträglichkeit auf kompakte Weise beheben.

Last but not least: Ladestationen verrichten den Löwenanteil Ihres Dienstes unbeaufsichtigt. Eine großzügige dimensionierte Absicherung mit hochwertigen passiven Bauteilen (Sicherungen, Sicherungsclips) hilft größere Schäden wie etwa einen Brandfall im Vorhinein zu vermeiden.

Ein Beispiel hierfür wäre etwa der Hochleistungsclip CSO für 10.3 x 38 mm Sicherungen. Aufgrund des Einsatzes einer speziellen Kupferlegierung zeichnet er sich durch eine besonders hohe Klemmkraft aus. Dies führt zu minimaler Verlustleistung, was insbesondere bei Anwendungen mit hohen Strömen unerlässlich ist. Mit einem typischen Kontaktwiderstand von ≤ 1 mΩ eignet er sich hervorragend für den Einsatz in E-Mobility-Ladestationen (AC und DC).

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