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Foto:  Ionity_2020_Nassereith
Mit 800V ist das E-Auto schnell wieder auf der Piste

Elektromobilität

800 Volt – die Spannung steigt

Durch Schnellladesysteme lässt sich die Standzeit von Elektrofahrzeugen an der Ladesäule auf ein Minimum reduzieren. Das gilt vor allem, wenn sie mit einer Systemspannung von 800 Volt statt der üblichen 400 Volt arbeiten, wie der Porsche Taycan oder der Audi E-Tron GT.

Wie unzählige Marktbefragungen immer wieder zeigen, sind die Batteriereichweite und die Ladezeit des Energiespeichers ­– neben den Kosten ­– nach wie vor die Achillesferse der Elektromobilität. Und an dieser Stelle hat sich in den vergangenen Jahren sehr viel getan. Aktionsradien von mehr als 400 Kilometern mit einer Batterieladung sind bei modernen Elektrofahrzeugen keine Seltenheit mehr, und auch die Ladetechnik hat sich mit riesigen Schritten weiterentwickelt. Abzulesen ist das am Begriff des Schnellladens: zogen Fachleute noch vor wenigen Jahren die Grenze bei 50 Kilowatt Ladeleistung, sind es heute beim High Power Charging (HPC) bis zu 350 Kilowatt. Damit lassen sich Ladezeiten unter 20 Minuten für eine Fahrtstrecke von 400 Kilometern erzielen, allerdings nur, wenn das Elektroauto dafür ausgelegt ist. Heute übliche Elektrofahrzeuge arbeiten mit einer Spannungsebene von 400 Volt.

Beim HPC-Laden würden so extrem hohe Ströme von bis zu 875 Ampere entstehen. Abgesehen davon, dass heutige Ladesysteme ohnehin auf maximal 500 Ampere begrenzt sind, müssten die Leitungsquerschnitte der Ladesäule und insbesondere im Fahrzeug extrem groß dimensioniert werden, um die Verlustleistung dabei in vertretbarem Rahmen zu halten. In der Realität ist daher bei 400-Volt-Elektrofahrzeugen mit 150 bis 200 Kilowatt Ladeleistungen die technisch sinnvolle Grenze erreicht. In der Praxis bedeutet dass, mindestens 10 Minuten Ladezeit für eine Fahrtstrecke von 100 Kilometern einplanen zu müssen.

Mehr Leistung und damit schnelleres Laden geht nur über eine höhere Spannung. Der Porsche Taycan war das erste Serienfahrzeug, das 2020 mit einer Systemspannung von 800 Volt anstatt der üblichen 400 Volt antrat. Audi hat kürzlich den E-Tron GT vorgestellt, der allerdings die Taycan-Plattform nutzt. Andere Hersteller wie Hyundai mit dem Ioniq 5 sollen noch in diesem Jahr mit Eigenentwicklungen folgen.

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Foto: Porsche Aufbau der 800-Volt-Batterie des Porsche Taycan

In 22 Minuten ist die Batterie voll

Porsche verspricht eine Ladezeit von fünf Minuten für eine Fahrtstrecke von 100 Kilometern beziehungsweise knapp über 22 Minuten für eine Batterieladung von fünf auf 80 Prozent der Maximalkapazität. „Besonders wichtig sind in diesem Zusammenhang die Batteriezellen, die beim HPC-Laden in kürzester Zeit hohe Energiemengen aufnehmen müssen, und das über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs“, sagt Dr. Robert Meier, bei Porsche als Projektleiter für die Gesamtfahrzeugentwicklung des Taycan zuständig. Bei der Batterielebensdauer rechnet Porsche mit keinerlei Beeinträchtigungen durch das HPC-Laden. „Wir gehen davon aus, dass rund 80 Prozent der Ladevorgänge zuhause stattfinden. Dennoch ist das Batteriesystem so ausgelegt, dass ein Kunde mit normalem Ladeverhalten durch HPC-Schnellladen keine größeren Auswirkungen auf die Batterielebensdauer erfahren wird“, erklärt Joachim Kramer, bei Porsche Projektleiter Antrieb Taycan.

Nach Aussagen von Porsche spielt beim Schwenk auf 800 Volt nicht nur die kürzere Ladedauer, sondern auch eine höhere Dauerleistung sowie weniger Gewicht und Bauraum der Verkabelung eine Rolle. Für die sogenannte Performance-Batterie Plus, den derzeit größten Energiespeicher für den Taycan, beziffert Porsche die Bruttokapazität mit 93,4 Kilowattstunden. Die Batterie ist über ein Leitungssystem und eine Kühlmittelpumpe in den Kühlkreislauf des Fahrzeugs integriert. Sie kann gekühlt oder beheizt werden, damit sie stets in einem idealen Temperaturfenster arbeitet. Die Kühlelemente sitzen außerhalb des eigentlichen Batteriekastens und sind auf dessen Unterseite wärmeleitend aufgeklebt.

Meier erklärt: „Grundsätzliches Entwicklungsziel war es, möglichst keine Wärme an die Umgebung abzuführen und so im Winter energetisch möglichst effizient unterwegs zu sein. Außerdem kann die Batterie die Abwärme der flüssigkeitsgekühlten Hochvoltkomponenten speichern. Damit dient sie als Thermospeicher oder Energiepuffer.“ Das ermöglicht intelligente Systemfunktionen wie die Konditionierung zur Sicherstellung der Fahrleistung: Anhand der Batterieladung und des gewählten Fahrprogramms entscheidet die elektronische Steuerung, welche Temperatur die Batterie haben soll. Zudem regelt das System auch die Vorkonditionierung der Batterie rechtzeitig vor dem Ladestopp, um die zur Verfügung stehende maximale Ladeleistung optimal zu nutzen.

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Foto: Porsche Antriebssystem des Porsche Taycan

Europaweites Schnellladenetz

Betreiber von HPC-Ladestationen in Europa sind unter anderem die Firmen EnBW, Allego und Ionity. Das Unternehmen wurde 2017 als Joint Venture der Automobilhersteller BMW, Ford, Hyundai, Mercedes Benz und Volkswagen mit den Marken Audi und Porsche gegründet und ist führend beim Ausbau des 350-Kilowatt-Ladenetzes. Die HPC-Ladestationen entsprechen dem Combined-Charging-System-Ladestandard (CCS). Wie bei anderen Ladeverfahren kommuniziert das Ladesystem über den CCS-Stecker mit dem Fahrzeug und passt die Ladeparameter kontinuierlich an die Momentanbedingungen an, reduziert also die auch die Ladeleistung, wenn die Wärmebelastung im Fahrzeug zu hoch wird.

„Wir bauen ein Netzwerk, das mit allen Fahrzeugen kompatibel sein muss, die mit dem europäischen Ladestandard CCS laden, ganz gleich welche Automarke. Das erhöht die Komplexität des Unterfangens erheblich. Wir haben daher in Unterschleißheim einen Testladepark aufgebaut, um die Entwicklungen weiter voranzutreiben und das Laden an unseren Standorten noch zuverlässiger und komfortabler zu machen“, sagt Dr. Susanne Koblitz, Head of Charging Technology bei Ionity.

Das stetig wachsende Ionity-Ladenetzwerk umfasst derzeit mehr als 300 Stationen mit 1200 Ladesäulen, in der letzten Ausbaustufe sollen dann alle 150 Kilometer entlang europäischer Autobahnen HPC-Ladestellen verfügbar sein. In Deutschland will das Bundesverkehrsministerium den Ausbau des Schnellladenetzes über eine Förderung der Investitions- und Betriebskosten beschleunigen. Ziel ist die Errichtung von insgesamt 1000 Lade-Hubs mit einer Leistung von mindestens 150 Kilowatt – und damit zumindest im Bereich des Schnellladens für 400-Volt-Fahrzeuge – an Fernstraßen sowie wichtigen Standorten im urbanen Raum bis 2023. Den Planungen zufolge startet im Sommer die europaweite Ausschreibung.

Einer der großen Nachteile von Schnellladekonzepten ist die mit steigender Ladegeschwindigkeit abnehmende Effizienz des Speichervorgangs. Bei einer HPC-Aufladung für 400 Kilometer Wegstrecke muss man von Verlusten von 30 Kilowatt ausgehen, die das System als Wärme abgibt. Das bedingt einerseits ein extrem gutes Kühlungssystem, andererseits muss diese Energie natürlich zusätzlich erzeugt und über das Stromnetz bereitgestellt werden. Letztlich gibt auch beim HPC die altbekannte Erkenntnis, dass sich die Physik nicht überlisten lässt.

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