Bordladegerät für Elektroautos

Das Laden eines Elektroautos hängt von drei Komponenten ab und seine Geschwindigkeit wird immer durch den schwächsten Teil bestimmt. Zu diesen drei Komponenten gehören die Ladequelle, das Ladekabel und das Bordladegerät. Wie funktioniert es? Was sind die Grundarten von Bordladegeräten? Und wie sieht es mit denen in der Zukunft aus? 

Ladegerät?

Jedes Ladegerät ist nicht gleich. Da die Ladestation gewöhnlich als Ladegerät bezeichnet wird, müssen zunächst zwei Konzepte geklärt werden:

• Bordladegerät - On Board Charger (OBC)
• Ladestation (auch als Ladegerät bezeichnet, das entweder mit AC- oder DC Strom lädt) - EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment)

Das ist Ladegerät, nein Bordladegerät. 

In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit dem Thema Bordladegeräte, d.h. mit denen, die fest im Auto eingebaut sind. 

Wie funktioniert das Laden?

Es gibt zwei Grundarten des Ladens, entweder Gleichstrom oder Wechselstrom. Wenn AC Strom entweder von der Steckdose oder von der AC Ladestation verwendet wird, fließt er durch das Ladekabel zum Bordladegerät, das den AC Strom in DC Strom umwandelt und über das Batteriemanagementsystem (BMS) an die Batterie sendet.

Bordladegerät als 'On-board charger'. Autor :Toyota Motor Europe (Lizenz CC BY-ND 2.0)

Wenn das Auto mit Gleichstrom aufgeladen wird, wird das Bordladegerät umgegangen und der Strom wird direkt über das BMS zur Batterie geleitet. Daher wird das Bordladegerät während dieses Ladevorgangs nicht verwendet, aber dieser Stil des Ladens stellt höhere Anforderungen an das BMS. 

Welche Rolle spielt das Bordladegerät?

Mit dem Bordladegerät können Sie vor allem den Strom und die Spannung steuern, mit denen der Akku geladen werden muss (Spannungs- oder Stromregelungsmodus), und so wird die Lebensdauer des Akkus sichergestellt.

Das Ladegerät bietet das Laden entweder mit konstantem Strom oder mit konstanter Spannung, beide sind einfach zu bedienen. Und jedes Laden hat seine Vor- und Nachteile. Beim Laden mit konstantem Strom kommt es zu einem höheren Wirkungsgrad und einer hohen Ladegeschwindigkeit. Es besteht jedoch die Gefahr, dass der Akku zu einem späteren Zeitpunkt überladen wird, wodurch seine Lebensdauer verkürzt wird. Beim Laden mit konstanter Spannung besteht die Gefahr, dass von Anfang zu starker Strom in die Batterie fließt, wodurch die Batterie zu viel erwärmt und ihre Lebensdauer wieder verkürzt wird.

Somit stellt das Ladegerät sicher, dass es am Anfang mit einem konstanten Strom geladen wird, wodurch Geschwindigkeit und Effizienz beibehalten werden, und wenn die Spannung an beiden Enden der Batterie eine bestimmte Amplitude erreicht, verwandelt sich die Ladung in eine Ladung mit konstanter Spannung. Dieses System wird als Ladestrategie bezeichnet und ist die wichtigste Funktion des Bordladegeräts.

Quelle: Journal of Advanced Transportation. https://www.hindawi.com/journals/jat/2019/2613893/

Woraus besteht das Bordladegerät?

Typische Ladegeräte führen mehrere aufeinanderfolgende Vorgänge aus, um erwähnte Funktionen zu erreichen: Eingangsgleichrichtung, Korrektur der Leistung, DC-DC Umwandlung, Isolation, Ausgangsgleichrichtung und Ausgangsfiltern. Um es zu vereinfachen, geht es eigentlich um zwei Phasen.

Zweiphasiges Bordladegerät. Quelle: https://www.hindawi.com/journals/jat/2019/2613893/

Die erste Phase ist die sogenannte PFC Stufe (Leistungsfaktorkorrektur), die Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Es hängt von diesem Teil des Ladegeräts ab, ob es eine oder alle drei Phasen vom Wechselstrom verwenden kann. Der Ausgang ist eine Spannung von 700 V, die in die zweite Phase geht.

Die zweite Phase wird als LLC-Konverter bezeichnet, in den 700 V fließen und deren Ausgang die Spannung ist, die genau dem entspricht, was die Batterie des Elektrofahrzeugs zu einem bestimmten Zeitpunkt des Ladevorgangs benötigt.

Welche Arten von Bordladegeräten gibt es?

Bordladegeräte werden nach der Anzahl der Phasen (nur eine oder drei) und nach ihrer Leistung geteilt. Die Leistung von Bordladegeräten liegt normalerweise zwischen 3,7 kW und 22 kW. Aus diesen beiden Merkmalen ergeben sich dann auch ihr Preis und damit der gesamte Preis des Elektroautos.

Bordladegerät. Quelle: https://avidtp.com/product/onboard-charger/

Das Standardladegerät Marke AVID hat eine Leistung von entweder 7,3 kW, wenn es nur eine Phase verwendet, oder 22 kW, wenn es drei Phasen verwendet. Das Ladegerät kann auch erkennen, ob es nur eine oder drei Phasen verwenden kann. Bei Anschluss an eine AC Heimstation, die ebenfalls eine Leistung von 22 kW hat, hängt die Ladezeit von der Batteriekapazität ab.
Die Spannung, die dieses Bordladegerät empfangen kann, beträgt 110 - 260 V AC Strom bei Anschluss an eine Phase (und 360 - 440 V bei drei Phasen). Die Ausgangspannung für die Batterie beträgt 450 - 850 V DC.

Wie sieht es in der Zukunft aus?

Da die Ladegeschwindigkeit eines Elektroautos hängt immer von der Leistung des schwächsten Teiles ab, besteht die Tendenz zu immer leistungsstärkeren Bordladegeräten. Aktuelle Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Reduzierung des Ausmaßes und des Gewichts des Ladegeräts mit Schwerpunkt auf hoher Energiedichte, hoher Ladeeffizienz und guter Wärmeableitung.

Die Forschung des ersten Teiles des Ladegeräts (PFC Phase) ist deutlich fortgeschritten und erreicht derzeit einen Wirkungsgrad von 98%. Der Gesamtwirkungsgrad hängt derzeit hauptsächlich von Design und Wirkungsgrad des DC-DC Konverters in der zweiten Phase ab.

Darüber hinaus sind Elektroautos mit einem eigenen Antriebsmodul ausgestattet, mit dem der Strom von Wechselstrom auf Gleichstrom umgeschaltet werden kann. Über seine Funktionen und Zukunft lesen Sie in unserem Artikel über Antriebsmodule.