Ladestation (Elektrofahrzeug)

mini|Elektroauto lädt mit CCS2-Stecker an 300-kW-HPC-Ladesäule (Typ Alpitronic HYC300) Bei einer Ladestation für Elektrofahrzeuge handelt es sich um eine für Elektrofahrzeuge konzipierte Ladestation. Im Gegensatz zu Verbrenner-PKW, die praktisch nur an öffentlichen Tankstellen aufgetankt werden können bzw. dürfen, können Elektrofahrzeuge an privaten Ladepunkten, sofern vorhanden, geladen werden und benötigen ggfs. nur für größere Fahrten öffentliche Ladepunkte.

Begrifflichkeit und Grundsätzliches In behördlichen Dokumenten wird von Ladepunkten gesprochen, wobei an einem Ladepunkt per Definition nur ein Fahrzeug gleichzeitig angeschlossen werden kann. Häufig findet man auch die Bezeichnung EVSE (electric vehicle supply equipment). Umgangssprachlich wird sie auch gelegentlich Stromtankstelle oder Ladesäule genannt. Bei einer Ladestation als Solartankstelle ist der Betreiber dafür verantwortlich, dass die bezogene elektrische Energie direkt zur Herkunft der Sonneneistrahlung zurückverfolgt werden kann, beispielsweise mit Hilfe einer Photovoltaikanlage.

Ladestationen können öffentlich oder nichtöffentlich zugänglich sein und bestehen im einfachsten Fall aus einer Steckdose, an welcher das Fahrzeug über eine Kabelverbindung und ein Ladegerät aufgeladen werden kann (konduktives Ladesystem für Elektrofahrzeuge nach DIN EN61851-1). Es gibt kostenpflichtige, kostenlose und von Vereinen für ihre Mitglieder betriebene Ladestationen. Entsprechende Schnellladestationen sind vor allem für den Langstreckenverkehr gedacht, um Nutzern von Elektrofahrzeugen die Möglichkeit zu geben, ihr Fahrzeug mit hoher Leistung in kurzer Zeit aufzuladen.Anton Karle: Elektromobilität: Grundlagen und Praxis. München 2016, S. 102. Für den täglichen Berufsverkehr, bei dem üblicherweise nur wenige Kilowattstunden elektrischer Energie verbraucht werden, reicht hingegen zum Laden in aller Regel eine normale Steckdose aus.Günther Brauner: Energiesysteme: regenerativ und dezentral. Strategien für die Energiewende. Wiesbaden 2016, S. 119.

Von der Europäischen Union wurde der Typ-2-Stecker als Standardladesteckverbindung für Wechselstrom- und Drehstromanschlüsse (AC) festgeschrieben. Als Standard für das Schnellladen mit Gleichstrom (DC) wurde in der Europäischen Union das mit Typ2 kombinierte Combined Charging System (CCS2) eingeführt. Ein anderes in Europa verbreitetes Gleichstromschnellladesystem ist der aus Japan stammende CHAdeMO-Standard.

Ladeprinzipien Ladesäulen Wechselstrom-, Drehstrom- und Gleichstromladen Heutige Akkumulatorzellen können nur mit Gleichstrom geladen werden. Da die Ladestationen aus dem Stromnetz mit Wechselstrom (ein- oder dreiphasig) versorgt werden, muss der Strom auf dem Weg zum Akku gleichgerichtet werden. Das kann im Fahrzeug durch ein eingebautes Ladegerät erfolgen oder bereits in der Ladestation. Der Begriff des Gleichstrom- und Wechselstromladens beschreibt, in welcher Form der Strom in das Fahrzeug eingespeist wird.

mini|Smart lädt an einer Wechselstrom-Ladesäule, 2013 Beim Wechselstromladen (AC) wird das Elektroauto einphasig über eine In-Kabel-Kontrollbox (ICCB) oder direkt über ein Ladekabel mit einer Haushaltssteckdose (Schukosteckdose) und damit mit dem Stromnetz verbunden. Damit werden nur Ladeleistungen <3,6 kW dauerhaft übertragen. Über 16-A-CEE-Steckdosen oder über eine Wandladestation mit Typ-2-Stecker können dauerhaft 3,6 kW bis 7,2 kW übertragen werden. Je nach Anbieter wird das Wechselstromladen mit bis zu 3,6 kW als „Standardladung“ oder „Notladung“ bezeichnet. Das Ladegerät ist im Fahrzeug integriert. Die Bordladegeräte in einigen Elektroautos sind teilweise in ihrer Leistung auf das Aufladen an haushaltsüblichen Steckdosen (3,6 kW) begrenzt und nicht in der Lage, dreiphasig zu laden, was dann zu entsprechend langen Ladezeiten führt und auch an leistungsfähigeren Drehstrom- oder Wechselstrom-Ladestellen keinen Zeitgewinn ermöglicht. Fahrzeuge mit dem Typ-1-Ladesteckanschluss laden darüber ausschließlich einphasig.

Beim Drehstromladen (wird zu AC gezählt) wird das Fahrzeug an das Dreiphasenwechselstromnetz mittels ICCB-Kabel an einer 400-V-Drehstromsteckdose oder über ein Ladekabel mit einer Ladestation verbunden. Das Kabel für Ladestationen wird im Fahrzeug mitgebracht und beidseitig mit einem Typ-2-Stecker ausgestattet oder fest an der Ladesäule montiert. Im Fahrzeug befindet sich ein Ladegerät, das den Dreiphasenwechselstrom vom Stromverteilnetz gleichrichtet, und mit dem Batteriemanagementsystem die Regelungsfunktionen (Ladeverfahren) übernimmt. Über das Ladekabel wird dem Fahrzeug die Belastbarkeit des Ladekabels und der Ladestation mitgeteilt. Bei Steckdosen übernimmt das ICCB-Kabel diese Funktion. Bei Bedarf begrenzt das Ladegerät im Fahrzeug den Strom, um die Zuleitungen nicht zu überlasten. Der Lader kann als Extragerät im Fahrzeug eingebaut sein (Smart ED oder Tesla Model S mit bis zu 22 kW) oder ist Teil der Motorsteuerung (Renault Zoe bis 43 kW).

Beim Gleichstromladen (DC) wird Gleichstrom aus der Ladesäule direkt in das Fahrzeug eingespeist. Er wird über ein leistungsstarkes Ladegerät in der Ladesäule entweder aus dem Stromnetz oder aus großen Pufferakkus an Solartankstellen bereitgestellt. Im Fahrzeug befindet sich nur ein Batteriemanagementsystem, das mit der Ladesäule kommuniziert, um die Stromstärke anzupassen oder bei vollem Akku abzuschalten. Die Leistungselektronik befindet sich in der Ladesäule. Wegen des starken Ladegerätes sind die Ladesäulen verhältnismäßig teuer. Gleichstromladen ermöglicht wegen des externen Ladegerätes sehr hohe Ladeleistungen. Das führt zu kurzen Ladezeiten. Voraussetzung dafür ist, dass die Ladesäule 22 bis 350 Kilowatt abgibt und ein entsprechender Gleichstrom-Anschluss am Fahrzeug vorhanden ist. Bei asiatischen Elektroautos ist der CHAdeMO-Anschluss am Fahrzeug integriert und auch der Tesla-Supercharger-Anschluss ist Standard am Fahrzeug. In Europa ist heutzutage der CCS-Anschluss am weitesten verbreitet, der von den Herstellern ebenfalls standardmäßig oder selten als kostenpflichtige Zusatzausstattung angeboten wird.

Stecker und Kabel Art der Verbindung zwischen Fahrzeug und Ladestation In der Norm IEC 61851-1 werden drei Arten unterschieden, wie Ladestation und Fahrzeug verbunden sein können. Unterschieden werden drei Anwendungsfälle: A: Das Kabel ist fest mit dem Fahrzeug verbunden. B: Das Kabel ist beidseitig gesteckt. C: Das Kabel ist fest mit der Ladestation verbunden.

Weiterhin wurden in der IEC 61851 vier verschiedene Lademodi definiert. In Mode 1 werden normale Kabel mit entsprechenden Steckern verwendet. Mode 2 nutzt Kabel, die über Signalisierungseinrichtungen (Widerstandscodierungen) verfügen, die der fahrzeugseitigen Ladeelektronik die Strombegrenzung der Ladestelle vorgeben. Bei Mode 3 kommunizieren Ladesäule und Fahrzeug über das Ladekabel. Mode 4 ist für Gleichstromladeverfahren, bei denen ebenfalls eine Kommunikation zwischen Fahrzeug- und Ladesäulenelektronik stattfindet.

Haushalts- und Industrieanschlüsse mini|Ladestation Park & Charge mit Schuko- und CEE-Steckdosen

Kleinelektromobile laden in der Regel nur geringe Energiemengen. Nicht zuletzt durch die Leistungsbegrenzung der Ladegeräte reichen für Elektrofahrräder beispielsweise haushaltsübliche Schuko-Steckdosen. Zusätzlich können die Akkus entnommen und an Steckdosen in Innenräumen aufgeladen werden oder es wird ein Verlängerungskabel nach draußen verlegt. Dies ist die einfachste Form einer „Ladestationsstelle für Elektrofahrzeuge“.

Bevor 2016 die Ladesäulenverordnung erlassen wurde, die für öffentlich zugängliche Ladestation einen Anschluss von IEC Typ 2 vorschreibt, wurden nicht-kommerzielle Ladestationen häufig auf Basis des CEE-Systems gebaut. Dafür wurden private Außensteckdosen für Wechselstrom- oder Drehstrom mit Steckern und Kabel nach den Normen für elektrische Geräte IEC 60309/CEE ausgestattet, die günstiger erhältlich waren als Typ-2-Systeme. Mit dieser beachtlichen Technik und mit einfachsten organisatorischen Maßnahmen wie der pauschalen Verrechnung der bezogenen Energie entstanden zu Beginn der 2010er-Jahre Verbünde wie Park & Charge und „Drehstromnetz“, denen sich Elektroautofahrer anschließen konnten.

Typ 1 und Combo 1

mini|Typ-1-Ladekupplung

In Nordamerika wurde der Standard SAE J1772 aus dem Jahr 2001 überarbeitet (es war ursprünglich ein eckiger Stecker für Flur- und Hubwagen). Die nordamerikanischen Autohersteller einigten sich mit der SAE J1772-2009 auf den Yazaki-Vorschlag. Dieser wurde später in der internationalen Norm IEC 62196-2 als Typ 1 bezeichnet. Es handelt sich um einen fünfpoligen runden Stecker mit 43 mm Durchmesser, der für den Anschluss an Einphasen-Wechselstrom vorgesehen ist. Dabei enthält die Spezifikation Vorgaben für den Anschluss an den in Nordamerika üblichen 120-Volt-Haushaltsstrom (Level-1-spezifizierter Ladestrom bis 16 Ampere bei maximal 120 Volt) als auch den in Europa üblichen 230-Volt-Haushaltsstrom (Level-2-spezifizierter Ladestrom bis 80 Ampere bei maximal 230 Volt). Der Steckertyp hat fünf Steckkontakte – zwei Kontakte für einphasigen Wechselstrom, eine Erdung sowie zwei Signalkontakte, die kompatibel mit den Signalkontakten sind, wie sie schon 2001 definiert wurden. Später wurde dieser Stecker unter dem Begriff des Combined Charging Systems mit Gleichstromkontakten zum Combo-1-Stecker erweitert. Typ 1 und Combo 1 sind auf dem nordamerikanischen Markt eingeführt. Auch viele japanische Fahrzeuge verwenden den Typ-1-Stecker für das Wechselstromladen.

Typ 2

mini|Typ-2-Ladekupplung

In den EU-Mitgliedsstaaten wurde erst 2013 mit dem Standard EN 62196 Typ 2 (auch Mennekes-Stecker genannt) ein universelles Steckersystem für Elektroautos im Leistungsumfang von 1,9 kW bis 240 kW spezifiziert. Bis dahin waren mehrere inkompatible Ladestandards verwendet worden.

Der unter Federführung des Stecker-Herstellers Mennekes entworfene und von mehreren Automobilherstellern und Stromkonzernen unterstützte Ladestandard EN 62196 Typ 2 ermöglicht am CP-Pin des Steckers die bidirektionale Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation. Mittels CP-Signal liest die Ladesäule die vom Auto unterstützte Ladeleistung aus. Sofern dann an einem Ladestationsstandort sich mehrere Ladesäulen einen einzigen Energieanschluss teilen, kann ein zentrales Lastmanagement per Pulsweitenmodulation (per CP-Pin) die Ladeleistung der in den Fahrzeugen verbauten Ladegeräte (Mode 1–3) reduzieren, damit die Gesamtladeleistung aller angeschlossenen Fahrzeuge die maximale Energieanschlussleistung der Tankstellenanlage nicht übersteigt. Die Ladedauer kann daher variieren. Aus der Definition der Ladeleistungssignalisierung per Pulsweitenmodulation ergibt sich auch eine „6 Ampere“ große Mindestladestromstärke pro Phase, aus der sich in 230 V Netzen bei einphasiger Ladung eine Mindestladeleistung von 6 A × 230 V (= 1380 W ≈ 1,4 kW) ergibt.

Typ 2 ist der in Europa meistverbreitete Ladestationentypus. Konzeptionell unterstützt er aufgrund der unterstützten IEC-Normen neben der Kommunikation in zwei Richtungen auch Stromflüsse in zwei Richtungen. Dadurch können Fahrzeugakkus künftig – entsprechend koordiniert und tarifiert – Lastschwankungen im Leitungsnetz ausgleichen.

CCS

mini|Combo 2: Gleichstrom-CCS-Kupplung

Das Combined Charging System (CCS) in der Variante Combo 2 ermöglicht es, dass E-Autos in Europa mit nur einer Ladekupplung an allen gängigen Ladesäulen laden können. Dazu wurde die siebenpolige Typ-2-Kupplung für einphasigen Wechselstrom (AC) bzw. dreiphasigen Drehstrom (ebenfalls AC) um zwei große leistungsfähige Steckkontakte für Gleichstrom (DC) erweitert. Derzeit sind Leistungen von bis zu 400 kW möglich (Stand Oktober 2024). Bis auf einige Hersteller wie Nissan, die bereits vor der CCS-Einführung (2013) Elektroautos auf den Markt brachten, bieten fast alle Hersteller neuer Elektroautos in Europa CCS als Serienausstattung an.