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Elektromobilität / Ladetechnik

Intelligent Laden = Akku-Lebenszeit verlängern

03. September 2020, 13:06 Uhr   |  Ute Häußler

Intelligent Laden = Akku-Lebenszeit verlängern
© Schurter

Das >Wie< des Ladens hat einen immensen Einfluss auf die Lebensdauer von Akkus in Elektroautos.

Elektroautos speisen Energie aus Lithium-Ionen-Akkupacks. Diese sind – obwohl weltweit vom Auto bis zum Handy im Masseneinsatz – durchaus sensible Konstruktionen. Wer beim Ladevorgang Sorgfalt walten lässt, kann die Lebensdauer seines Akkus sowie die Sicherheit deutlich erhöhen. Ein Leitfaden.

Früher, wenn ‚Vattern‘ sonntags in der Garage verschwand, war das heilig. Heutzutage hat der Wartungs- und Pflegeaufwand für ein Auto deutlich abgenommen. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und deren Batterien jedoch kommt der Pflegefaktor wieder mehr ins Spiel. Schnellladen auf der Autobahn, während der Arbeitszeit auf dem Firmenparkplatz oder übernacht daheim – der Autoakku ist komplett unterschiedlichen Szenarien ausgesetzt und kann empfindlich reagieren. Die Handhabung eines Akkus und seiner Ladevorlieben hat Auswirkungen auf die Lebensdauer. Die Schurter Gruppe, ein Zulieferer für elektronische Sicherungen, gibt in einem neuen Leitfaden Tipps für das Laden daheim. Worauf sollten Fahrer von Elektroautos achten, um die Lebensdauer ihrer Batterie und damit auch den Wiederverkaufswert zu erhöhen?

Dauer des Ladevorgangs

Die Rechnung zur Ladedauer ist schnell gemacht. Die Batteriekapazität eines Fahrzeugs in kWh wird durch die Leistung (kW) der Ladestation geteilt. So ergibt sich die Anzahl Stunden für eine Vollladung. Das schwächste Glied gibt den Takt vor. Der Ladevorgang besteht 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 verkürzt Lebensdauer

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

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.

Laden am 3-Phasen-Netz

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 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 sind die Besitzer von Elektrofahrzeugen allerdings auf die Hilfe eines Fachmanns angewiesen. Die technische (bestehende elektrische Belastung) und rechtliche (Mieter, Eigentümer) Realisierbarkeit muss zwingend gerpüft werden. Im Gegenzug führen solch leistungsstarke Ladegeräten zu deutlich kürzeren 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, die von Wandladegerät zu Wandladegerät unterschiedlich ist. In allen Fällen 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. Egal, ob 1- oder auch 3-Phasen-Systeme: 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. Diese Faktoren und deren Umsetzung in der Wallbox sollten bei der Anschaffung einer passenden Ladestation durchaus auch vom Endverbraucher in Betracht gezogen werden.

Absichern

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 ein Hochleistungsclip CSO für 10.3 x 38 mm Sicherungen. Aufgrund des Einsatzes einer speziellen Kupferlegierung zeichnet sich diese Art Bauteil 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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