Schnellladen: Warum das Batteriemanagement die Ladezeit bestimmt

Laden ist nicht Tanken. Beim Kauf eines konventionellen PKW fragen die wenigsten danach, wie viele Liter in den Tank gehen. Der Tankvorgang ist kein Thema, denn an der Zapfsäule stehen alle etwa gleich lang. Es überlegt sich auch keiner, wie viele Liter Treibstoff pro Minute ins Fahrzeug fließen.

Beim Elektroauto hingegen ist der Ladevorgang ein wichtiges Kriterium. Wie lange dauert eine Vollladung? Und wie groß ist die maximale Ladeleistung? Zu Hause an der Wallbox kommt es in erster Linie nicht auf Topspeed an. Man hat Zeit, hier reicht eine "gemächliche" Ladeleistung von 11 kW über einige Stunden.

Bei einer großen Urlaubsfahrt sind die Bedürfnisse hingegen umgekehrt. Innerhalb der üblichen Pausenzeiten von 15 bis 20 Minuten soll genug Energie für 300 bis 400 Kilometer Reichweite nachgefüllt werden. Einmal quer durchs Land zu fahren, soll nicht zur Geduldsprobe ausarten, es geht um ein komfortables Verhältnis von Fahrt- zu Pausenzeit. Dafür sorgen sogenannte Schnellladestationen. An den heimischen Autobahnen stehen meistens die Leistungsstufen 50 kW und 150 kW, selten auch 350 kW zur Verfügung.

Die Kelag betreibt derzeit an vier Autobahn-Raststationen die Hochleistungs-Ladeinfrastruktur, die auf bis zu 350 kW Ladeleistung aufgerüstet werden kann. Weiterte Standorte sind geplant. 350 kW, damit lassen sich selbst große Akkus in Rekordzeit wieder komplett aufladen – im Optimalfall. Denn der limitierende Faktor beim Schnellladen ist meistens das Auto, und zwar in Form des Batteriemanagements.

Warum braucht ein Elektroauto ein Batteriemanagement?

Der Akku ist das Herz eines Elektroautos. Von ihm werden neben maximaler Leistungskapazität und raschem Ladevorgang auch lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit gefordert. All dies zu vereinbaren, ist jedoch nicht einfach. Der Akku eines Elektroautos muss möglichst effizient genutzt werden. Dafür sorgt ein intelligentes Batteriemanagement-System. Es kontrolliert das Laden und das Entladen der Batterie. Die Steuerungssoftware regelt, wie viel Leistung für eine optimale Nutzung der Batteriezellen aktuell aufgenommen werden kann, ohne den Akku zu schädigen und die Lebensdauer zu beeinträchtigen.

Dies ist vor allem beim Schnellladen von Bedeutung. Denn so ziemlich jeder Akkutyp – also nicht nur die Lithium-Ionen-Akkus in den Elektrofahrzeugen – unterliegen beim Laden einem Abnutzungsprozess, der auf chemische Veränderungen zurückzuführen ist. Beim Schnellladen wird dieser verstärkt, da hohe Ladeströme nicht nur die Ladezeit, sondern auch die Lebensdauer des Akkus verkürzen. Der Schnellladevorgang ist für den Akku recht strapaziös. Wer sein Elektroauto immer nur an der Schnellladesäule auflädt, muss mit einer zügigeren Alterung der Batterie rechnen. 

Wovon die Ladeleistung beim Schnellladen abhängt

Das Batteriemanagement-System überwacht Kennwerte wie die Batteriespannung, die Temperatur der Zellen, ihre Kapazität, ihren Ladezustand, die Stromentnahme, die Restbetriebszeit, den Ladezyklus und vieles mehr. Und es sorgt dafür, dass der Akku beim Laden nicht zu sehr belastet wird. Entsprechend steuert es die tatsächliche Ladeleistung, denn ein Elektroauto lädt einmal schneller, einmal langsamer – und das sogar an ein und derselben Ladesäule. Die Ladeleistung hat beispielsweise mit folgenden Faktoren zu tun:

• Mit der Temperatur: Die Temperatur eines Akkus muss sich beim Ladevorgang stets in einem Wohlfühlbereich befinden. Bei einer Schnellladung ist die Kühlung des Akkus ein nicht unwesentlicher Faktor, denn bei einer Schnellladung ist die Wärmeentwicklung deutlich höher als beispielsweise an der heimischen Wallbox. Es wird somit eine effektive Kühlung des Akkus benötigt, um ihn nicht zu überhitzen. Was passiert bei einem Elektroauto ohne aktives Thermomanagement? Weil sich die Batterie durch das Laden erhitzt, sinkt die Ladegeschwindigkeit nach dem zweiten Schnellladevorgang auf einer Langstrecke deutlich ab. Dann kann es durch den Hitzestress mitunter eine Stunde dauern, um Strom für weitere 100 Kilometer zu bekommen. Auch die Wetterbedingungen – Hitze oder Kälte – haben Auswirkungen auf den Ladevorgang;
  
  
• Mit dem Ladestand des Akkus: Die Ladezeiten bei der Schnellladung werden von den Autoherstellern üblicherweise für bis zu 80 % der Batteriekapazität angegeben. Denn je voller der Akku ist, umso mehr wird die Ladeleistung zur Schonung des Akkus reduziert. Für die Schnellladung ist daher der Bereich zwischen 10 und 80% der Batteriekapazität relevant. Spätestens ab einem zu 80% gefüllten Akku regelt die Software die Ladeleistung zugunsten der Langlebigkeit des Akkus hinunter, andere bereits früher. Dies hängt von der Ladetaktik des jeweiligen Elektroautos ab

Schnellladen: Jedes Elektroauto hat eine andere Strategie

Die Regelungsstrategie des Batteriemanagement-Systems hat beim Schnellladen einen gewichtigen Einfluss und kann bei den einzelnen Modellen zur Schonung der Akkus sehr unterschiedlich ausfallen. Der deutsche Autofahrerclub ADAC hat die Ladekurven von Elektroautos stichprobenartig gemessen. Dafür wurde während eines Schnellladevorgangs kontinuierlich die Ladeleistung gemessen.

Dabei zeigt sich, dass die maximale Ladeleistung unterschiedlich lange ist. Während manche Modelle im Bereich zwischen 10 und 80% Batterieladung relativ konstant mit höchster Ladeleistung laden, regeln andere schon bei knapp 40% Batteriestand herunter. Manche Modelle reduzieren die Ladeleistung kontinuierlich, andere hingegen stufenweise. Die genauen Testergebnisse finden Sie auf der ADAC-Website.

Verschiedene Autohersteller verfolgen beim Schnellladen verschiedene Strategien.

Große Unterschiede bei nachgeladener Reichweite pro Zeit

In der Praxis relevant ist der Vergleich von nachgeladener Reichweite pro Zeit, und hier zeigt der ADAC-Test gravierende Unterschiede auf. So kommen die fünf getesteten Elektroautos auf eine Spannweite von 40 bis 113 Kilometer Reichweite, die nach den ersten zehn Minuten nachgeladen werden können. Bei einer halben Stunde liegt der höchste Wert bei 305 Kilometer, dem lediglich 124 Kilometer als niedrigster Wert gegenüberstehen.

Der ADAC hat angekündigt, in all seinen zukünftigen Tests von Elektroautos sowohl die Ladekurven als auch die nachgeladene Reichweite in den ersten 30 Minuten zu ermitteln. Dadurch sollen Elektroautos hinsichtlich ihrer Schnellladefähigkeit verglichen werden können.

800-Volt-Technologie beschleunigt das Laden

Eine Grundkonstante für die Ladeleistung und damit auch die Ladezeit ist die Systemspannung im Elektrofahrzeug. Die meisten Modelle nutzen für die Antriebskomponenten ein 400-Volt-Netz im Fahrzeug. Inzwischen ist aber auch die 800-Volt-Technologie in der Welt der Elektroautos angekommen. Das erste Serienfahrzeug mit dieser Systemspannung kam Anfang 2020 auf den Markt. Dadurch lässt sich der Akku mit höheren Strömen (Gleichstrom, DC) und damit besonders schnell laden. Die maximale Ladeleistung liegt bei 270 kW. Die Ladezeit für 5 bis 80% Batterieladung beträgt an einer 800-Volt-Ladesäule bei einer Gesamtkapazität des Akkus von etwa 93 kWh unter idealen Bedingungen 22,5 Minuten.

Das Problem dabei: Es gibt kaum eine entsprechende Ladeinfrastruktur für diesen "Hochgeschwindigkeitsbereich". Aber auch hier ist die Ladestrategie des Herstellers nicht uninteressant. Die vollen 270 kW sind nur bis 40% Ladezustand möglich, dann wird bis zur 80%-Marke in Richtung 150 kW reduziert, danach noch weiter.

Vor dem Kauf über Schnellladefähigkeit informieren

Die Rechnung ist klar: Ein Elektroauto kann für längere Strecken umso flexibler genutzt werden, je besser die Schnellladefunktion ist. Daher sollte man sich bereits vor dem Kauf überlegen, wie oft man mit dem Elektroauto auf die große Reise gehen wird. Wer regelmäßig lange Strecken fahren will, sollte sich vor dem Kauf daher über die Schnellladefähigkeiten seines Wunschmodells informieren. Nicht immer gehört die Schnellladefunktion zum Serienumfang. Diese sollte man jedoch stets mitbestellen.

Fazit

Nicht die Ladestation, sondern das Auto selbst gibt vor, wie schnell der Schnellladevorgang tatsächlich ist. Die Grenzen setzen das jeweilige Batteriemanagement-System und die entsprechende Regelungsstrategie, um den Akku beim Laden mit Highspeed zu schonen. Das Tückische dabei ist jedoch, dass diese Ladetaktik von Hersteller zu Hersteller, von Modell zu Modell mitunter sehr unterschiedlich ausfallen kann. Bei der nachgeladenen Reichweite pro Zeit können die Werte um das 2,5-Fache variieren. Vor allem wer öfters auf längeren Strecken mit seinem Elektroauto unterwegs sein will, sollte sich vor dem Kauf über die Schnellladefähigkeiten des Modells informieren.