Warum kann eine Batterie nur mit Gleichstrom geladen werden

Geschrieben von Leoni Lehmann | 03.08.2021 12:27:34

Wenn es um Elektromobilität geht, können zwei verschiedene elektrische Ströme verwendet werden, um ein Elektrofahrzeug zu betreiben - AC (Wechselstrom) und DC (Gleichstrom). Doch bevor wir uns damit beschäftigen, sollten Sie zwei Dinge beachten:

• Der Strom, der aus dem Netz kommt, also aus Ihrer Haushaltssteckdose, ist immer AC (Wechselstrom).
• Die Energie, die in Batterien gespeichert wird, ist immer DC (Gleichstrom).

AC und DC, nicht AC/DC

AC und DC sind zwei völlig unterschiedliche Arten von elektrischem Strom. Beide bewegen sich in unterschiedliche Richtungen, fließen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und haben unterschiedliche Anwendungen. AC/DC ist eine Hardrock-Band, die trotz eines Albums mit dem Titel "High Voltage" nichts mit elektrischen Strömen oder dem Laden von Elektrofahrzeugen zu tun hat.

Wechselstrom (AC) ist ein elektrischer Strom bzw. Ladungsfluss, der periodisch seine Richtung ändert, d.h. er wechselt. Wechselstrom kann aus regenerativen Quellen erzeugt werden, die rotierende Generatoren verwenden, wie z.B. Wind- oder Wasserkraftturbinen. Wechselstrom kann auch effizient über große Entfernungen transportiert werden, weshalb praktisch alle Stromnetze der Welt mit Wechselstrom arbeiten und Sie zu Hause und im Büro Wechselstrom finden können.

Gleichstrom (DC) bewegt sich immer in einer geraden Linie und kann durch regenerative Energietechnologien wie z.B. Solarzellen erzeugt werden. DC kann unter anderem für die Energiespeicherung und LED-Beleuchtung verwendet werden. Batterien speichern Gleichstrom, und auch wenn Sie es vielleicht nie bemerkt haben, wandelt das Ladegerät jedes Mal, wenn Sie Ihren Laptop aufladen, den Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom für die Batterie Ihres Laptops um.

Kurz gesagt erhalten wir Wechselstrom aus dem Netz und dieser wird in Gleichstrom umgewandelt, damit er in Batterien gespeichert werden kann, wie beispielsweise Batterien, die für die Stromversorgung eines Elektrofahrzeugs verwendet werden.

AC- und DC-Laden in der Elektromobilität

Wenn wir über das Laden eines Elektrofahrzeugs sprechen, besteht der Hauptunterschied zwischen dem AC- und dem DC-Laden darin, wo die Umwandlung von AC in DC stattfindet. Unabhängig davon, ob ein Elektrofahrzeug eine AC- oder DC-Ladestation nutzt, speichert die Batterie des Elektrofahrzeugs nur DC-Energie. 

Wenn Sie eine DC-Ladestation verwenden, erfolgt die Umwandlung von AC (aus dem Stromnetz) in DC innerhalb der Ladestation, so dass der DC-Strom direkt von der Station in die Batterie fließen kann. Da der Umwandlungsprozess innerhalb der geräumigeren Ladestation und nicht im Fahrzeug stattfindet, können größere Konverter verwendet werden, um den AC-Strom aus dem Netz in kürzester Zeit umzuwandeln. Daher können einige DC-Stationen bis zu 350 kW Leistung liefern und ein Fahrzeug in 15 Minuten vollständig aufgeladen werden.

Der Kurve immer einen Schritt voraus

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen AC- und DC-Laden ist die Ladekurve. Beim AC-Laden stellt der Strom, der zu einem Elektrofahrzeug fließt, eine flache Linie dar (also nicht unbedingt eine Kurve). Das liegt an dem relativ kleinen eingebauten Netzteil, das nur eine begrenzte Leistungsverteilung über längere Zeiträume aufnehmen kann.

DC-Laden hingegen zeigt eine abnehmende Ladekurve. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Batterie des Elektrofahrzeugs anfangs einen schnelleren Stromfluss akzeptiert, aber allmählich weniger verlangt, bis die volle Kapazität erreicht ist.

Stellen Sie sich zum Beispiel ein Glas als Batterie des Fahrzeugs vor, eine Wasserflasche als DC-Ladestation und das Wasser in der Flasche als Strom. Am Anfang können Sie das Glas schnell mit Wasser füllen, aber Sie müssen langsamer werden, wenn Sie nach oben kommen, damit das Glas nicht überläuft.

Die gleiche Logik kann für die DC-Schnell- und Ultra-Schnellladungen angewendet werden. Das ist der Grund, warum Elektrofahrzeuge weniger Strom benötigen, sobald die Batterie zu etwa 80 Prozent gefüllt ist, daher die abnehmende Kurve, die Sie unten sehen.

Andere Faktoren, die die Ladegeschwindigkeit beeinflussen können, sind

• Prozentsatz der Batterie (Ladezustand)
• Zustand der Batterie des Elektrofahrzeugs
• Wetterbedingungen

AC für das Netz und DC für die Batterie

Sowohl AC als auch DC sind in der Welt der Elektromobilität wichtig. Sie erhalten AC-Strom aus dem Netz, der dann in DC umgewandelt wird, damit er in der Batterie eines E-Fahrzeugs gespeichert werden kann. Bei der Verwendung einer AC-Ladestation erfolgt die Umwandlung in DC innerhalb des Fahrzeugs über ein integriertes Netzteil, das oft begrenzt ist. Bei der Verwendung einer DC-Schnell- und Ultra-Schnell-Ladestationen erfolgt die Umwandlung außerhalb des Elektrofahrzeugs mit einem größeren Konverter.

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Dass aus unseren Steckdosen Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz kommt und andererseits eine Taschenlampe mit Gleichstrom betrieben wird, kann als allgemein bekannt gelten. Für viele Anwendungen ist ein Übergang oder eine Umwandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom kein Thema. Ein Elektroauto hat aber eine aufladbare Batterie, die nur Gleichstrom speichern kann. Dieser kommt oft aus einer Quelle für Wechselstrom, nämlich dem konventionellen Stromnetz. Grund genug, uns mit den Unterschieden und den für E-Autos wichtigen Punkten zu befassen.

Was ist Gleichstrom und Wechselstrom?

Der Unterschied kommt mit den englischen Bezeichnungen DC und AC besser zum Ausdruck. Diese Abkürzungen stehen für direct current und alternating current.

Der Gleichstom oder DC ist ein Stromfluss, der sich der Richtung und Stärke nach mit der Zeit nicht ändert und also konstant bleibt, vorausgesetzt natürlich, dass der Einschaltvorgang abgeschlossen ist. Ein Gleichstrom entsteht zum Beispiel in einer Batterie, gleich ob sie aufladbar ist oder nicht. Chemische Reaktionen erzeugen unterschiedliche Konzentrationen von Elektronen, also elektrisch geladenen Teilchen. Durch solche Potentialunterschiede entsteht elektrische Spannung und diese wiederum erzeugt elektrischen Strom.

Im Gegensatz dazu ändert Wechselstrom oder AC sich ständig und oszilliert zwischen zwei Maxima von Strömen in zwei verschiedene Richtungen. Warum gibt es aber überhaupt Wechselstrom? Das hat mit der Erzeugung von elektrischem Strom zu tun. Chemische Reaktionen wie diejenigen in einer Batterie waren lange die besten verfügbaren Stromquellen. Sie reichen aber für Anwendungen mit höherem Strombedarf nicht aus.

Die Erzeugung von stärkeren Strömen erfolgt oft mit elektrischen Leitern, die durch mechanische Energie in einem Magnetfeld bewegt werden. Praktisch sind das Generatoren, die aus großen Spulen von Draht bestehen. Bewegen sich diese im Magnetfeld, werden Ströme in diesen Spulen erzeugt. Die Stärke und Richtung dieser Ströme hängen von der Position der drehbaren Spule ab und deshalb ändert sich mit der Drehung die Stärke und Richtung des Stroms ständig.

Der Ladevorgang von E-Autos

Eine aufladbare Batterie kann nur Gleichstrom zur Aufladung verwenden. Wechselstrom aus dem Stromnetz kann also erst nach einer Umwandlung in Gleichstrom für diese Aufladung verwendet werden. Für die Umwandlung ist ein sogenannter Gleichrichter erforderlich. Praktisch ergeben sich zwei Möglichkeiten. Dieser Gleichrichter kann sich im Auto oder in der Ladestation befinden.

• Gleichrichter im E-Auto. Über diese Lademöglichkeit verfügen alle heute gebräuchlichen E-Autos. Das ist auch nachvollziehbar, denn Wechselstrom ist für den Ladevorgang viel einfacher verfügbar als Gleichstrom selbst. Soll ein E-Auto beispielsweise aus einer normalen Steckdose im Haushalt geladen werden können, ist ein Gleichrichter nötig. Nachdem ein solcher aber wenig sonstige Verwendung findet, ist er in den meisten Haushalten und auch in Firmen nicht verfügbar. Deshalb muss er im elektrisch betriebenen Fahrzeug eingebaut sein.

Was sind nun die technischen Randbedingungen für diesen Gleichrichter? Seine Leistung ist proportional zu den Kosten, dem Gewicht und den Abmessungen des Geräts. Nachdem dieser Gleichrichter im Auto immer mitgeführt werden muss, spielen auch bei teuren Automodellen mindestens das Gewicht und die Maße eine Rolle. Aus diesen Gründen wird in E-Autos nur ein Gleichrichter von nicht sehr hoher Kapazität verbaut.

• Eine Alternative ist ein Gleichrichter in der Ladestation. Diese Station wird damit teuer, weil eben ein zusätzliches Bauelement zusammen mit der erforderlichen Leistungselektronik eingebaut werden muss. Diese Kosten verteilen sich aber besser, weil die Ladestation intensiv genutzt werden kann. Der Gleichrichter im E-Auto kann hingegen gar nicht öfter benutzt werden als bei einem Halt des Fahrzeugs. Maße und Gewicht spielen beim Einbau in eine Ladestation dagegen kaum eine Rolle und deshalb lassen sich mit einer Ladestation mit Gleichrichter viel höhere Ladekapazitäten realisieren.

Praktische Konsequenzen der Ladetechnik mit AC und DC

Die Ladegeschwindigkeit hängt von dem Bauteil ab, das am Vorgang des Ladens beteiligt ist und die geringste Kapazität besitzt. Dieses Bauteil können Sie sich als Flaschenhals vorstellen, der die durchgeleitete elektrische Leistung begrenzt. Diese beteiligten Bauteile sind die Ladestation, das Kabel und der Gleichrichter, gleich ob sich dieser im Fahrzeug oder in der Ladestation befindet.

Was sollten Sie bei der Wahl der Ladestation also unbedingt beachten? Die Kosten steigen mit der Leistung der Ladestation. Diese Leistung kann aber nur in dem Ausmaß abgerufen werden, in dem auch Ihr Fahrzeug über eine entsprechende Ladekapazität verfügt. Laden Sie Ihr E-Auto also an einer sehr leistungsfähigen Ladestation auf, kann der Ladevorgang trotzdem nur so schnell ablaufen, wie die Technik Ihres Fahrzeugs das zulässt.

Die Kosten können also in die Höhe schnellen, ohne dass sich der Ladevorgang beschleunigt.

Wie sieht es mit dem Laden von Gleichstrom aus? Man möchte meinen, dass sich jedes E-Auto so laden ließe, denn seine Batterie speichert ja schließlich Gleichstrom. Das trifft aber nicht zu und hat einfach praktische Gründe. Nachdem Sie jedes Fahrzeug auch an den am einfachsten verfügbaren Haushaltssteckdosen aufladen möchten, ist diese Lademöglichkeit auf jeden Fall gegeben. Ladestationen mit Gleichstrom als Option sind aber viel seltener, erfordern aber technische Anpassungen für ihre Verwendung. Der Gleichrichter im Auto muss überbrückt werden und diese Möglichkeit existiert nicht in jedem E-Auto.

Fazit

Die Batterie eines E-Autos kann nur Gleichstrom speichern, Wechselstrom ist aber viel einfacher zu erzeugen und steht über das Stromnetz praktisch überall zur Verfügung. Die notwendige Umwandlung kann immer mit dem im Auto eingebauten Gleichrichter erfolgen. Wenn Ihr Auto über die technischen Voraussetzungen verfügt, können Sie auch direkt Gleichstrom laden. Dieser Ladevorgang ist üblicherweise um Einiges schneller als mit Wechselstrom.