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Akkus/Batterien

Energieeffizienzanforderungen in der Ladetechnik

2. Juni 2014, 14:11 Uhr | Von Arno Reinhard, Friwo

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

CEC – verpflichtender Standard

Der derzeit weltweit einzige verpflichtende Standard zur Energieeffizienz für Ladegeräte ist der Titel 20 des California Code of Regulations (Absätze 1601 bis 1608). Aktuell umfasst dieser Titel nahezu alle elektrischen Konsumgüter, welche Schaltungen zur Akkuladung enthalten. Das Spektrum reicht dabei von Notebooks über Elektrowerkzeug bis hin zu eBike-Ladern. Mit dem Jahresbeginn 2017 werden von dem Standard aber auch sämtliche Anwendungen reguliert, welche nicht dem Konsumbereich zuzuordnen sind.

Definiert wurde der Standard vom Energieministerium des Staates Kalifornien, der California Energy Commission (CEC). Da diese Behörde ausschließlich für die Energiepolitik und -planung innerhalb der kalifornischen Staatsgrenzen zuständig ist, könnte man bei dem Standard auf den ersten Blick eine sehr regionale Bedeutung vermuten. Bei genauerer Betrachtung wird jedoch deutlich, dass dieser Standard für den gesamten US-amerikanischen Markt relevant ist: Unternehmen, die ihre Produkte in die USA exportieren, können den Verkauf und die Benutzung der Geräte im Staat Kalifornien in der Regel nicht ausschließen – und sollten den Standard daher von vornherein einhalten.

Aber welche Grenzwerte zur Energieeffizienz legt die CEC mit diesem Titel nun fest? Hier ist zunächst darauf zu achten, dass der Standard die Kategorien Großlader (Large BCS) mit einer Eingangsleistung von mehr als 2 kW und Kleinlader (Small BCS) mit einer geringeren Eingangsleistung unterscheidet. Im Folgenden soll vor allem die Regulierung für Kleinlader detaillierter betrachtet werden. Für ein besseres Verständnis der Regulierungen und der später folgenden Optimierung eines Ladegerätes sind zunächst einige wichtige Begriffe nach CEC zu klären (Bild 1):

Active charge mode: Hauptladung bis der Akku voll geladen ist.
Battery maintenance mode (P_m): Erhaltungsladung. Der Akku ist geladen, bleibt aber am Ladegerät.
24h charge and maintenance energy (E_24h ): Summe der vom Ladesystem innerhalb von 24 Stunden aufgenommenen Energie in Wattstunden (während Haupt- und Erhaltungsladung).
No battery mode (P_stby): Reiner Standby-Betrieb ohne Akku.

Mit ihrem Standard legt die CEC zwei einzuhaltende Kennzahlen fest: Zum einen ein festgelegtes Maximum an Wattstunden (Wh) für die »24h charge and maintenance energy«, zum anderen darüber hinaus einen Maximalwert für die Summe aus »battery maintenance mode« und »no battery mode«. Mit Hilfe des Energieinhalts des eingesetzten Akkus (E_b) und der Anzahl der Ladeschächte des verwendeten Ladegerätes (N) können die einzuhaltenden Grenzwerte nach CEC berechnet werden. Die zu verwendenden Formeln hierfür finden sich in Tabelle 2.

Beispielsweise ergeben sich somit für ein typisches eBike-Ladesystem mit einem einzelnen Ladeschacht (N = 1) und einem Akku mit 36 V und 11 A (Eb = 36 V · 11 Ah = 396 Wh) folgende Grenzwerte zur Einhaltung:

(1)   E_24h = (22 · 1 + 1,5 · 396) Wh = 616 Wh

(2)   P_stby + P_m = (1 + 0,0021 · 396) W = 1,83 W

Im Bereich Power Tools könnte ein typisches Ladesystem beispielsweise so aussehen: Ein Ladeschacht (N = 1), zugehöriger Akku 18 V/2,6 Ah (E_b = 18 V · 2,6 Ah = 46,8 Wh). Nach CEC ergeben sich hier folgende Grenzwerte:

(3)   E_24h = (12 · 1 + 1,6 · 46,8) Wh = 86,88 Wh

(4)   P_stby + P_m = (1 + 0,0021 · 46,8) W = 1,09 W

Besondere Testanforderungen stellt CEC an Multilader, welche Akkus mit unterschiedlichen Spannungen und Kapazitäten laden können. Hier werden die Ladevorgänge von drei vordefinierten Akkutypen geprüft, die jeweils die Grenzwerte einhalten müssen, damit das Gesamtsystem den Standard erfüllt. Folgende Akkutypen müssen geprüft werden: