Was beeinflusst die Ladezeit von E-Autos

Hohe Ladeleistungen sind die neuen Trümpfe der Autohersteller. Tesla prahlt beim Model S Plaid mit 250 kW, Porsche beim Taycan sogar mit bis zu 270 kW. Dabei bilden die Topwerte nur einen kurzzeitigen Spitzenwert ab. In der Praxis zählt allein die Frage: Wie lange braucht mein Elektroauto am Schnelllader, um genug Strom für die nächste Etappe zu haben? Einfach ist die Erklärung nicht!

Ladessäule ist nicht gleich Ladesäule

Wie schnell ein Elektroauto-Akku an einer Gleichstrom-Station – also einem Schnelllader – aufgeladen werden kann, hängt von vielen Faktoren ab. Zuerst einmal von der Ladestation selbst. Wieviel Leistung bietet sie und unter welchen Bedingungen? Was passiert, wenn ein weiteres Auto an die gleiche Ladesäule gehängt wird? Während zum Beispiel die Ionity-Stationen an den Autobahnen darauf ausgelegt sind, ihre Ladeleistung auch bei hoher Frequentierung konstant zu halten, reduzieren andere Ladestationen schon mal ihre Leistung. Vor allem dann, wenn ein weiteres Auto an die gleiche Säule gehängt wird. Freundlicherweise teilen das viele Ladestationen auf dem Display mit. Das Thema mögliche Ladeleistung ist also deutlich komplexer als die plakative Kilowatt-Aufschrift darauf.

Denn neben der vielversprechenden kW-Angabe steht noch ein weiterer Hinweis auf den Ladesäulen: "Die Ladeleistung wird vom Auto gesteuert!" Genauer gesagt, reden das Auto und die Säule darüber, was an Strom möglich ist oder nicht. Dafür muss zumindest die Basis stimmen, dass also die Säule mindestens so viel Leistung bietet, wie das Auto maximal fordert.

Das Auto entscheidet, wie viel Strom fließt

Ist das alles gegeben, darf endlich der Stromer entscheiden, wieviel Elektronen in Wallung kommen. Dabei reden wir die ganze Zeit von Leistung. Eigentlich geht es aber nur um die Stromstärke, oder einfacher um "den Strom." Und aus dem ergibt sich nach Multiplikation mit der Spannung die elektrische Leistung. Allerdings ist die Spannung ja zwingend durch den Akku-Aufbau vorgegeben. Damit Strom fließen und eine Batterie geladen werden kann, muss die Ladespannung höher als die Akkuspannung sein. Zum Verständnis hilft die Analogie von Spannung als (Meeres-)Höhe eines Wasserreservoirs. Strom fließt wie Wasser vom höheren zum tieferen Punkt. Die Stromstärke (Wassermenge) kann in dagegen frei über den Wasserhahn geregelt werden. Beim Akku entscheiden nun vier wesentliche Faktoren, wie viel Strom fließen darf.

Größe des Akkus bestimmt "C-Rate"

Je größer ein Akku ist, desto mehr Strom kann er auch beim Laden vertragen. Schaltet man zwei Batteriezellen parallel, so verdoppelt sich die Gesamt-Kapazität (Spannung bleibt gleich). Aber nicht nur das: Weil beide parallel liegen, teilen sie sich den Stromfluss brüderlich und die Belastung für die einzelne Zelle steigt nicht an, obwohl der doppelte Strom und damit auch die doppelte Leistung anliegt. Ein BMW iX dessen 111,5 kWh-Akku (brutto) fast 33 Prozent größer ist als der eines i4 mit 83,9 kWh wird also grob gesagt auch ein Drittel mehr Ladestrom vertragen. Weil dieses Verhältnis so wichtig ist, wird die Relation von Ladestrom zu Kapazität des Akkus mit dem sogenannten C-Faktor angegeben. Er erlaubt es, die Ladefähigkeiten einer Batterie unabhängig von ihrer Größe zu beurteilen. Streng genommen ist der C-Faktor für Ladestrom in Ampere zu Kapazität in Amperestunden definiert. Im Elektroautobereich nimmt man das Verhältnis von Ladeleistung in Watt zu Energieinhalt in Wattstunden.

Spannung im Akku: 400 oder 800 Volt

Es gibt im Elektroautobereich vor allem zwei Spannungen: 400 und 800 V. Wobei das Großteil der Stromer einen 400-Volt-Akku nutzt. Zum verlustarmen Stromtransport sind eine hohe Spannung und ein niedriger Strom von Vorteil. Der Grund, wieso unser heimischer Strom von Hochspannungsleitungen mit mehreren hunderttausend Volt über die Lande gejagt wird – die Verluste steigen dabei im Quadrat zum Strom, höhere Spannung heißt weniger Strom. Im gleichen Kabel entstehen also bei der Verdopplung des Stroms die vierfachen Verluste durch den Widerstand. Verdoppelt man dagegen die Spannung und lässt den Strom gleich, bleiben auch die Verluste gleich – obwohl in beiden Fällen die doppelte Leistung transportiert wird. Das gilt auch bei den Zuleitungen im Auto.

Lässt sich das so direkt auch auf den Akku übertragen? Nein. Ein Akku ist bei Elektroautos aus bis zu mehreren tausend Einzelzellen aufgebaut und jeder dieser einzelnen Lithium-Ionen-Zellen hat eine durch äußere Verschaltung nicht veränderbare Nennspannung. Sie liegt bei üblichen Zellen im Bereich von 3,7 V (hängt von der Zellchemie ab) und variiert mit ihrer Ladung. Daher bringt eine Spannungserhöhung der Batterie auf Zellebene erstmal nichts. Doch jetzt kommt wieder die Ladestation ins Spiel. Die Super-Schnelllader nach dem CCS-Standard können mit 400 und 800 Volt laden. Der maximale Strom ist aber von technisch auf 500 Ampere begrenzt. Das bedeutet maximal 200 kW (400V x 500A) für 400-Voltler und maximal 400 kW (800 V x 500 A) für 800 Voltler. In der Praxis können 400-Volt-Elektroautos diesen Wert leicht überbieten. Ein BMW i4 schafft in der Spitze 206 kW. Die 800 Volt-Stromer müssen sich zurzeit auf maximal 350 kW als Leistungslimit beschränken. Bisher hat das aber noch kein Elektroauto ausgereizt. Apropos: Wir sprechen hier immer vor allem von Li-NMC-Akkus, nicht von Lithium-Eisenphosphat.

Akku-Temperatur ist wesentlich

Nur ein warmer Akku kann schnell geladen werden. Er verhält sich da wie ein Sommer-Urlauber: Ab 20 Grad fängt er an sich wohlzufühlen, zwischen 30 und 40 Grad geht es richtig ab. Ab 50 Grad hat er ein Überhitzungsproblem und muss dringend gekühlt werden. In der Praxis sinkt die mögliche Ladeleistung unterhalb von 20 Grad spürbar. Einen minusgradkalten Akku mit höhen Ladeströmen zu belasten, bedeutet relativ schnell seinen Tod. Daher gibt es heute aktive Akkuheizungen – der Fachmann sagt Vorkonditionierung – die den Akku erstmal erwärmen, bevor er geladen wird. Der Akku erreicht bei der Fahrt durch Nutzung auch von selbst höhere Temperaturen über die Verlustwärme in den Zellen. Für wirklich hohe Ströme reicht das aber bei Taycan, Tesla und Co. nicht aus. Da muss dem E-Auto aktiv mitgeteilt werden, dass in einer halben Stunde eine Schnellladung ansteht und es jetzt mal heizen soll. Es lädt auch ohne Vorkonditionierung, aber eben nicht so schnell. Wenn wie im Falle von Hyundai und Kia früher eine Vorheizung fehlte, kann das im Winter zu sehr niedrigen Ladeleistungen führen. Jedoch erhalten die neuen Modelle diese wichtige Funktion.

Ladestand des Akkus (SOC) entscheidend

Dieser wird in Prozent vom maximal nutzbaren Energieinhalt angegeben. Der Fachmann sagt state of charge kurz SOC. Die höchsten Ladeleistungen erreichen Akkus üblicherweise wenn die Ladung unterhalb von 20 Prozent SOC beginnt – das variiert je nach Fahrzeugmodell. Je mehr sich ein Akku füllt, desto schwieriger wird es, schnell im Inneren Ionen einzulagern. Ähnlich wie in einem volleren Parkhaus ein Auto mehr Zeit braucht, um einen Platz zu finden, als in einem leeren Parkhaus. Es kommt im Akku sogar zu Blechschäden, da sich metallisches Lithium immer mehr an den Polen ablagert (sogenanntes Plating).

Der gleiche Effekt passiert auch bei kalten Akkutemperaturen. Oberhalb von 80 Prozent Füllgrad ist es sogar schlicht nicht mehr empfehlenswert besonders schnell zu laden. Für die Batterie bedeutet das zweierlei Stress: Zum einen sorgt der starke Potenzialunterschied zwischen den Polen für eine Dysbalance und damit Belastung – deshalb sollte ein Akku für längere Lagerung idealerweise um die 50 Prozent Ladung und damit ausgeglichene Potenziale haben– und der fast volle Akku kann die gewaltige Strommenge nicht mehr reibungslos verarbeiten. Wer gleich nach der Ladung losfährt, kann aber auch mal bis 100 Prozent laden. Das dauert allerdings selbst an Gleichstromladern ewig. Deshalb macht das ein vernünftiger Elektroautofahrer nur beim langsameren Wechselstrom-Laden und wenn es auf eine Stunde mehr oder weniger nicht ankommt.