AC-Ladeverluste bei Elektroautos

Wie entstehen Ladeverluste?

Beim Entladen eines Lithium-Ionen-HV-Akkus wandern Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode und setzen dabei elektrische Energie frei. Beim Aufladen laufen die elektrochemischen Vorgänge in umgekehrter Richtung ab. Dazu wird ein dem Entladen gegengerichteter elektrischer Stromfluss erzwungen, der gegen den Innenwiderstand des Akkus arbeitet. Dadurch kommt es zu einer Art Reibung, die den Akku erwärmt und als Wärmeenergie verloren geht.

Die meisten Ladeverluste entstehen aber nicht durch die Erwärmung des Akkus sondern bei der Umwandlung von Wechselstrom (AC) aus dem Stromnetz in Gleichstrom (DC) für die Hochvoltbatterie. Diese Aufgabe übernehmen On-Board-Ladesysteme, deren Wirkungsgrad je nach Ladestrom zwischen 75 und 95 Prozent beträgt.

Während des Ladevorgang ist außerdem das 12-Volt-Bordnetz aktiv, welches z.B. das Batteriemanagementsystem mit Strom versorg. Zudem wird die 12-Volt-Bordnetzbatterie während des Ladevorgangs des Hochvoltakkus mitaufgeladen. Verluste fallen auch in den Ladekabeln sowie den Ladeanschlüssen an.

Ladeverluste haben einen direkten Einfluss auf die Ladezeit und die Ladekosten. 20 Prozent Ladeverlust bedeuten eine um 20 Prozent längere Ladezeit sowie um ein Fünftel höhere Ladekosten.

Wie können Ladeverluste ermittelt werden?

Wie hoch die Verluste beim Laden von Wechselstrom sind, lässt sich anhand der WLTP-Daten ermitteln. Der weltweit einheitliche WLTP Test (World Light Duty Test Procedure) ist ein neues, realistischeres Messverfahren zur Ermittlung von Verbrauch, Reichweite und Emissionen von PKW und leichten Nutzfahrzeugen und ersetzt seit September 2018 schrittweise das aus den 90er Jahren stammende NEFZ Prüfverfahren.

Bei Elektroautos werden mit dem WLTP-Test die Reichweite und der Stromverbrauch ermittelt. Für die Reichweitenmessung werden so lange Prüfzyklen durchfahren, bis die zum Testbeginn vollständig geladene Antriebsbatterie leer ist. Für die Verbrauchsermittlung wird anschließend der leere Akku mit Wechselstrom (AC) wieder zu 100% aufgeladen. Da die ab dem Ladepunkt vom Fahrzeug aufgenommene Energie gemessen wird (Tank-to-Wheel), enthält die Messung auch die bei der Aufladung entstehenden Energieverluste. Ist die nutzbare Kapazität der HV-Batterie bekannt, können so mit den WLTP-Messwerten die Ladeverluste berechnet werden.

Wie hoch sind die Ladeverluste beim DC-Laden?

In der Regel enstehen beim Schnellladen mit Gleichstrom weniger Ladeverluste, da die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom nicht vom Fahrzeuges, sondern von der Ladesäule übernommen wird. Da beim Schnellladen allerdings mehr Strom in kürzerer Zeit fließt, sind hier die Wärmeverluste höher.

Manche E-Autos temperieren während des Schnellladens den HV-Akku. Ein Teil der nachgeladenen Energie wird hier für das Kühlen oder Erwärmen der Antriebsbatterie benötigt.

Wie können Ladeverluste reduziert werden?

Ladeverluste sind physikalisch unvermeidbar. Beim Laden mit Wechselstrom können sie aber signifikant reduziert werden, indem der On-Board-Lader des E-Fahrzeugs im optimalen Wirkungsgrad betrieben wird. Besonders ineffizient arbeiten die On-Board-Ladesysteme, wenn zu wenig Strom fließt. Beim einphasigen Laden an der heimischen Steckdose wird meist nur ein Ladewirkungsgrad von 75 Prozent oder weniger erreicht.

Deutlich besser sind die Ladewirkungsgrade beim Laden an einer Wallbox oder einer öffentlichen AC-Ladesäule. Erfahrungsgemäß wird die beste Effizienz erzielt, wenn die Ladeleistung am Auto oder über die Wallbox auf ca. 90 Prozent des Maximalwert des On-Board-Laders begrenzt wird. Bei einem 11 kW-On-Board-Lader sollte die Stromstärke auf 14 Ampere eingestellt werden (220 Volt x 14 Ampere x 3 = 9,24 Kilowatt). Gleichzeitig wird damit der On-Board-Lader geschont, der es mit einer längeren Haltbarkeit danken wird.

Darüberhinaus beeinflusst die Ladedauer die Höhe der Ladeverluste. Je früher der Ladevorgang beendet ist, desto weniger Strom verbraucht das 12-Volt-Bordnetz zur Überwachung des Ladevorgangs. Bei E-Autos, die 2 oder 3-phasig laden können, verkürzt sich die Ladedauer an an einer Wallbox gegenüber dem Laden an der Steckdose deutlich. Pro eingesparter Stunde werden etwa 100 bis 300 Watt weniger verbraucht.

Die Höhe der Ladeverluste ist zudem von der Temperatur der Hochvoltbatterie abhängig. Je kälter eine Lithium-Ionen-Batterie ist, desto zäher sind ihre flüssigen Elektrolyte und desto höher ist ihr Innenwiderstand.

Einen geringen Einfluss auf die Ladeverluste hat auch das verwendete Ladekabel. Zur Optimierung sollte ein möglichst kurzes und dickes Ladekabel verwendet werden.

Wie effizient sind E-Autos?

Trotz der Energieverluste beim Laden sind Elektroautos im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor deutlich effizienter. Während E-Autos im Durchschnitt etwa zwei Drittel der elektrischen Energie aus dem Stromnetz in Antriebsenergie umsetzen, beträgt der Wirkungsgrad von Benzinfahrzeugen lediglich 12 bis 30 Prozent. Da der Elektromotor gleichzeitig als Generator fungiert, wird außerdem durch Rekuperation Energie zurückgewonnen, die bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durch Bremsen verloren geht. Die Energieeffizienz eines Elektroautos unter Berücksichtigung der Rekuperationsleistung beträgt sogar 75 Prozent und mehr.