Die Aufladung von Elektrofahrzeugen ist ein Bereich rasanter Entwicklung. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt gibt es drei Hauptarten der Aufladung.
Bei Stufe 1, der langsamen Aufladung, wird ein Auto einfach mit einer gewöhnlichen Haussteckdose verbunden. Erwartungsgemäß dauert es bei dieser Vorgehensweise viele Stunden, bis ein Elektrofahrzeug vollständig aufgeladen ist. Die Aufladung der Stufe 2 erfolgt mit 240-V-Wechselstrom und einer Leistungsstufe, die in den meisten Haushalten für gewöhnlich nicht verfügbar ist. Schließlich kommt bei der als Gleichstromschnellladung bekannten Stufe 3 Gleichstrom mit bis zu 500 V zum Einsatz. Eine Aufladung der Stufe 3 kann eine elektrische Leistung von 100 kW und höher bereitstellen und ein Elektrofahrzeug ca. 5 Mal so schnell aufladen.
In den USA ist SAE J1772 die verbindliche Norm für die Aufladung von Elektrofahrzeugen. Mit dem Fortschreiten der Technologie entwickelt sich auch die Norm weiter, aber ihre Parameter für Wechselstromaufladung der Stufe 1 und 2 wurden zusammengeführt. Für Stufe 1 gelten 120 V bei 16 A oder weniger für ein Maximum von 1,92 kW, für Stufe 2 gelten 240 V bei 80 A oder weniger für ein Maximum von 19,2 kW. Alle in den USA verkauften Elektrofahrzeuge sind auf diese Norm eingestellt und verfügen über einen Anschluss für den Stecker, über den Ladegeräte des Typs SAE J1772 Strom zuführen können. Der unten abgebildete Anschluss ist bei nahezu allen in den USA verkauften Elektrofahrzeugen serienmäßig vorhanden und ist auf alle Ladesysteme der Stufen 1 und 2 ausgelegt.
Abbildung 1: Ladegerätstecker vom Typ SAE J1712 und J1712-Anschluss an einem Elektrofahrzeug mit geöffnetem Anschlussschutz.
Der Anschluss dient nicht nur der Stromversorgung, sondern bewältigt auch den komplexen Informationsaustausch zwischen dem Fahrzeug und dem Ladegerät, der dafür sorgt, dass die Batterie weder überladen noch unsachgemäß geladen wird. Die Norm selbst legt die Art des "Handshake" zwischen dem Fahrzeug und dem Ladegerät fest. Da der Autofahrer in der Regel kein ausgebildeter Techniker ist, aber mit einer elektrischen Leistung hantiert, die für den Antrieb eines U-Bahn-Zuges ausreicht, definiert die Norm mehrere Stufen integrierter Schutzvorrichtungen, die für die entsprechende Sicherheit sorgen.
Induktive Aufladung macht Kabel überflüssig
Induktive Aufladung ist eine Variante der Stufe 2, bei der Strom über eine elektromagnetische Verbindung vom Ladegerät zum Elektrofahrzeug übertragen wird und die damit jegliche Anschlüsse zwischen dem Ladegerät und dem Fahrzeug überflüssig macht. Das Verfahren ähnelt der Funktionsweise eines Transformators, bei dem eine primäre Spule Strom an eine sekundäre Spule weitergibt, ohne dass zwischen den beiden Spulen ein physischer Kontakt besteht. Die primäre Spule baut mithilfe der Stromquelle ein Magnetfeld auf, über das Elektrizität an die sekundäre Spule weitergegeben wird. Bei der induktiven Aufladung von Elektrofahrzeugen befindet sich die primäre Spule im Ladegerät und die sekundäre im Fahrzeug; letztere gibt die induzierte Elektrizität an die zu ladende Batterie weiter.
Bei dieser Methode erübrigen sich dementsprechend Stecker, Kabel und Anschlüsse. Erforderlich ist jedoch eine präzise Positionierung des Fahrzeugs im Verhältnis zum Ladegerät, da die Ausrichtung der Spulen der entscheidende Faktor ist. Aufgrund der relativ geringen Strommenge, die auf diese Weise in einem bestimmten Zeitrahmen übertragen werden kann, werden induktive Ladegeräte einstweilen nur für den Heimgebrauch verfügbar sein.
Und weiter geht's… auf Stufe 3
Wenn man bedenkt, dass 50 kW/h eine durchaus übliche Kapazität für die vollständig geladene Batterie eines Elektrofahrzeugs ist, verwundert es nicht, dass Ladegeräte der Stufe 2 nicht als zufrieden stellende Lösung gelten – selbst wenn die induktive Aufladung (vorerst) ausgeklammert bleibt. Die größte Energiemenge, die ein Ladegerät der Stufe 2 abgeben kann, sind weniger als 20 kW, sodass die Ladedauer 2,5 Stunden beträgt. Da kann man sich leicht ausrechnen, dass diese Lösung für vielbeschäftigte Reisende nicht sonderlich attraktiv ist. Ladegeräte der Stufe 3 sind das nächste Ziel, und während die Standards für Stufe 1 und 2 als mehr oder weniger stabil gelten können, sind die Standards der Stufe 3 nach wie vor heiß umkämpft.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt gibt es drei konkurrierende Standards für Ladegeräte der Stufe 3. SAE J1772 wurde um einen Standard für Stufe 3 erweitert, nämlich um den Zusatz SAE J1772 Combined Combo System DC Fast Charge (CCS DC Fast Charge). Die meisten US-amerikanischen und europäischen Hersteller von Elektrofahrzeugen haben sich auf die Übernahme dieser Norm geeinigt. Darüber hinaus gibt es den von japanischen Herstellern bevorzugten CHAdeMO-Standard. Weltweit ist CHAdeMO zurzeit die am weitesten verbreitete Norm. Bemerkenswert ist, dass die meisten Ladestationen der Stufe 3, die mittlerweile überall in den USA entstehen, Fahrzeuge versorgen können, die entweder CCS- oder CHAdeMO-konform sind. Der dritte, nur von Tesla verwendete Standard ist Tesla Supercharger, wobei Eigentümer des Tesla Model S ein Add-on erwerben können, mit dem die Kompatibilität zur CHAdeMO-Norm hergestellt ist.
Nach momentanem Stand der Dinge geben die Normen für CHAdeMO-Ladegeräte ein Maximum von 62,5 kW an. Die Kapazität des CCS liegt in ähnlichen Bereichen und wird vermutlich auf ca. 90 kW erhöht, doch die Grenzwerte sind hier im besten Fall unklar und scheinen momentan eher im Ermessen der Hersteller statt der Regulierungsbehörden zu liegen. In der Norm für den Tesla Supercharger sind 120 kW verzeichnet. Doch wie bei allen konkurrierenden Standards, die noch in der Entwicklung begriffen sind, darf davon ausgegangen werden, dass ein gewisses Maß an Kreativität in die technischen Daten geflossen ist. So oder so ist zu erwarten, dass sich hier noch Änderungen ergeben werden.
Neben der Ladezeit und den Kilowattstunden der Laufzeit sollten Autofahrer bei der Suche nach der richtigen Ladestation durchaus noch einen weiteren Aspekt berücksichtigen: die geografischen Gegebenheiten. Bemerkenswerterweise kann in den USA der Standort eines Autofahrers darüber entscheiden, welche Art von Ladestation am ehesten zur Verfügung steht. CCS- und CHAdeMO-Stationen sind vor allem an der Ost- und Westküste am gängigsten. Tesla-Stationen gibt es zwar insgesamt weniger, doch sie kommen an den zwischenstaatlichen Autobahnen in höherer Dichte vor und konzentrieren sich nicht auf eine der beiden Küsten. Tesla-Elektrofahrzeuge haben größere Batterien als die meisten anderen Fahrzeuge und sind daher besser geeignet für längere Fahrten – und genau diesem Umstand kommen die Stationen von Tesla Supercharger entgegen.
Abbildung 3: Ein CCS-Stecker und -Anschluss.
Interessanterweise ist Chevy Volt nicht für Ladegeräte der Stufe 3 geeignet. Das liegt möglicherweise daran, dass das Fahrzeug über einen eingebauten Benzintank verfügt, dessen einziger Zweck darin besteht, im Bedarfsfall die Batterie aufzuladen. Die meisten Eigentümer eines Volt ziehen es vor, die kleinere 18,4-kW/h-Batterie zu Hause aufzuladen, obwohl eine Aufladung der Stufe 2 vollumfänglich unterstützt wird.
Die ChargePoint Company ist ein führender Anbieter von Ladegeräten der Stufe 3 und unterhält landesweit ein umfangreiches Netz an öffentlichen Ladestationen. Das im Handel erhältliche Stufe-3-Ladegerät CPE200 des Unternehmens mit einer Kapazität von 50 kW ist mit CCS- und CHAdeMO-Steckern ausgestattet. Es kann wohl mit einiger Sicherheit davon ausgegangen werden, dass keiner der beiden Standards dem jeweils anderen den Rang ablaufen wird. Vielmehr sind sie einander so ähnlich, dass die Hoffnung, sie würden eines Tages zusammengeführt, nach Ansicht vieler durchaus nicht unbegründet ist. Und dann besteht wohl kein Zweifel, dass ein neuer Kampf beginnt, wenn sich die Branche auf Stufe 4 vorbereitet.