Alles rund ums Laden – Teil 2: Lademodi

Im zweiten Teil der Serie „Alles rund ums Laden“ möchte ich die verschiedenen Lademodi vorstellen, mit denen man ein Elektroauto laden kann.

Grundsätzlich lassen sich die Lademodi in zwei Gruppen aufteilen: Das induktive Laden und das konduktive Laden.

Induktives Laden

Beim induktiven Laden wird die elektrische Leistung berührungslos übertragen. Eine Primärspule, die vom Stromnetz gespeist wird, erzeugt ein elektrisches Feld, welches von einer Sekundärspule aufgenommen wird. Die Sekundärspule (oder Empfängerspule) ist dabei Teil des Fahrzeugs.

Ähnlich funktioniert auch das Laden einer elektrischen Zahnbürste oder eines Smartphones, dass den Qi-Standard unterstützt.

Stand heute spielt das induktive Laden nur im Nutzfahrzeugbereich eine Rolle. Bombardier hat beispielsweise die Primove-Technologie entwickelt, die bereits in Bussen eingesetzt wird. Hier befindet sich an ausgewählten Haltestellen eine Primärspule in der Fahrbahn. Um den Luftspalt zwischen den Spulen gering zu halten, kann diese beim Halt angehoben werden, um einen hohen Ladewirkungsgrad zu erreichen.

Für PKWs gibt es aktuell noch keine induktiven Lademöglichkeiten, doch haben verschiedenen Hersteller, darunter Daimler, BMW und der VW-Konzern angekündigt, entsprechende Lösungen zu entwickeln. Insbesondere für PHEVs soll damit der Anteil an elektrischen Fahrten erhöht werden, da sich herausgestellt hat, dass die Nutzer dieser Fahrzeuge in den wenigstens Fällen ihr Fahrzeug laden. Beim induktiven Laden kann schließlich das von manch einem als lästig empfundene Anstecken des Kabels entfallen.

Im Gegenzug müssen sich die Autohersteller Gedanken machen, wie sie es schaffen, dass der Kunde das Fahrzeug möglichst genau über der Primärspule positionieren kann. Nur so kann ein hoher Ladewirkungsgrad erreicht werden.

Konduktives Laden

Das konduktive Laden beschreibt alle Ladevorgänge, die mit einem Stecker durchgeführt werden. Das betrifft praktisch alle heute erhältlichen elektrischen PKW.

Beim konduktiven Laden werden gemäß Norm DIN EN 61851-1 insgesamt vier Lademodi unterschieden, die ich im Folgenden vorstellen möchte.

Mode 1: Laden per Schuko-Stecker

Beim Mode-1-Laden verfügt das Fahrzeug direkt über einen Schuko-Stecker, der am  Fahrzeug befestigt ist. Das Fahrzeug kann somit ausschließlich an einer normalen Schuko-Steckdose und somit mit maximal 2,3 kW geladen werden.

Typische Vertreter von Fahrzeugen, die diesen Lademodus unterstützen, sind Leichtfahrzeuge (Quads), zu denen der Renault Twizy gehört, oder elektrische Motorräder und Roller.

Mode 2: Laden mit In-Kabel-Kontrollbox

Zur Standardausrüstung nahezu aller BEVs und PHEVs gehören sogenannte „Notladekabel“, mit denen die Fahrzeuge an der Schuko-Steckdose geladen werden können. Im Gegensatz zum Mode-1-Laden ist hier das Kabel jedoch nicht fest mit dem Fahrzeug verbunden und im Ladekabel selber befindet sich ein In Cable Control and Protection Device (kurz: ICCPD) bzw. eine In Cable Control Box (kurz: ICCB). Beide nicht gerade eingängigen Abkürzungen meinen das gleiche Gerät, nämlich eine Kommunikations- und Schutzeinrichtung, die Teil des Ladekabels ist.

Da beim Mode-2-Laden fahrzeugseitig entweder ein Typ-1- oder ein Typ-2-Anschluss verbaut ist, der zwingend eine Kommunikation erfordert, übernimmt die ICCB diese Aufgabe. Schließlich verfügen Haushalts- und Industriesteckdose über keinerlei integrierte Kommunikations- oder Messfunktionen. Zusätzlich überprüft die ICCB den Stromkreis auf Fehler (Kurzschlüsse, Fehlerströme, etc.) und ermöglicht die Einstellung eines maximalen Stroms, damit die gewählte Steckdose nicht überlastet wird.

In den meisten Fällen wird man beim Mode-2-Laden das Fahrzeug an einer Schuko-Steckdose laden. Allerdings ist das Laden an einer Drehstrom-Steckdose genauso ein Mode-2-Ladevorgang, wie ich es bspw. bei meinem Smart jeden Tag durchführe. Typische Leistungswerte für Mode-2-Ladevorgänge liegen zwischen 1,8 kW bis 22 kW.

Mode 3: Direktes Laden

Das Mode-3-Laden ist die typische Ladeart an den meisten Ladesäulen oder Wallboxen, die mit einem Typ-1- oder Typ-2-Anschluss ausgestattet sind. Zur Mode-3-Ladung gehören somit alle AC-Ladevorgänge, bei denen das Fahrzeug an einen Typ-1- oder Typ-2-Anschluss angestöpselt ist. Manchmal sind die Ladekabel auch fest an den Ladesäulen angeschlagen, was sehr praktisch ist, da das Laden dem bekannten Tanken somit sehr nahe kommt. Die Ladekabel verfügen selber über keine zusätzliche Schutz- oder Kommunikationseinrichtung, da diese Aufgaben von der Wallbox bzw. der Ladesäule übernommen werden. Typische Ladeleistungen sind hier 3,7 kW bis 43 kW.

Insbesondere beim Mode-2- und Mode-3-Laden wird die maximale Ladeleistung entweder durch die Infrastruktur oder durch den On-Board-Lader des Fahrzeugs begrenzt. Der On-Board-Lader richtet den Wechsel- bzw. Drehstrom (AC) gleich, sodass die Batterie mit Gleichstrom (DC) geladen wird. Aufgrund von Bauraum-, Kosten- und Gewichtsbeschränkungen im Fahrzeug ist die maximale Leistung des On-Board-Laders häufig begrenzt. Die meisten Fahrzeuge verfügen nur über AC-Ladeleistungen von weniger als 11 kW. Renault Zoe und Smart ed (Generation 3) gehören mit 43 kW bzw. 22 kW Ladeleistung zu den Ausnahmen.

Um dennoch hohe Ladeleistungen erzielen zu können, kommen wir zum vierten und letzten Lademodus.

Mode 4: DC-Laden

Beim DC-Laden wird die Batterie des Fahrzeugs direkt mit Gleichstrom (DC) beaufschlagt. Die Wandlung von AC in DC findet also nicht mehr im Fahrzeug sondern außerhalb statt. Dadurch können deutlich größere Gleichrichter gebaut werden, die entsprechend höhere Ladeleistungen ermöglichen. Netzseitig werden die DC-Ladesäulen schließlich auch per Drehstrom versorgt. Da die Gleichrichter für das DC-Laden jedoch sehr teuer sind, sind Mode-4-Ladesäulen nicht so weit verbreitet wie die deutlich günstigeren Mode-3-Ladesäulen.

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Alle Ladevorgänge an CCS- und CHAdeMO-Ladesäulen (und natürlich auch am Tesla-Supercharger) gehören somit zum Mode-4-Laden. Die Ladekabel sind daher auch immer fest an der Ladesäule angeschlagen. Typische Leistungen sind 50 kW bis 150 kW, zukünftig sogar bis 350 kW.

Im Fahrzeug wird die Ladeleistung also nicht mehr durch den On-Board-Lader begrenzt, sondern durch die maximale Leistungsaufnahme der HV-Batterie. Weitere, begrenzende Faktoren können allerdings auch Leitungsquerschnitte, HV-Schnittstellen oder die Ladedose sein, wenn diese nicht auf die hohe Dauerleistung ausgelegt sind. Dies gilt es unbedingt zu vermeiden, wenn man die volle Ladeleistung ausschöpfen möchte, weshalb dies bei der Entwicklung des Fahrzeugs mit Mode-4-Lademöglichkeit unbedingt von Anfang an berücksichtigt werden muss.

Fazit

Beim Laden eines Elektrofahrzeugs wird zunächst unterschieden, ob es sich um induktives Laden oder konduktives Laden handelt. Induktives Laden ist allerdings aktuell ausschließlich im Nutzfahrzeugbereich vornhanden.

Beim konduktiven Laden werden die folgenden vier genormten Lademodi unterschieden:

• Mode 1: Direktes AC-Laden an der Schuko-Steckdose
• Mode 2: AC-Laden an „normalen“ Schuko- und Industrie- bzw. Drehstromsteckdose mit In-Kabel-Kontrollbox
• Mode 3: Direktes AC-Laden an einer Ladesäule oder Wallbox
• Mode 4: DC-Laden

Man kann sich dabei grob merken, dass mit steigenden Lademodus die maximale Ladeleistung steigt.

Die meisten BEVs und PHEVs können per Mode-2- und Mode-3-Ladung geladen werden. Fahrzeuge, die über die Möglichkeit einer Gleichstromladung verfügen, unterstützen zusätzlich das Laden nach Mode 4.

In meinem nächsten Artikel der Serie werde ich die verschiedenen Ladepunktarten vorstellen, wozu die bereits erwähnte Wallbox, die Ladesäule oder mobile Ladegeräte gehören.

Weitere Teile der Serie:

• Alles rund ums Laden – Teil 1: Steckertypen
• Alles rund ums Laden – Teil 3: Ladegeräte und Ladestationen
• Alles rund ums Laden – Teil 4: High Power Charging (HPC)
• Alle Beiträge zum Thema Laden auf GenerationStrom.com