Ein wenig Physik – Teil 2: Laden

Das ist ja Motivation pur: „Der Beitrag ist wundervoll“ schreibt Andreas Müller in seinem Kommentar zum ersten Teil meines Physik-Beitrags und gibt noch wertvolle Hinweise dazu. Die Fehler in dem ersten Teil habe ich nun dank Andreas Müller hoffentlich alle korrigiert und kann mich an den zweiten Teil machen.

Schön: Der Beitrag wird immer noch gern gelesen, heute (18.08.2016) hat Hans Meier kommentiert:

Vielleicht sollte man den Unterschied von Wechsel- oder –Drehstrom deutlicher werden lassen, denn in den Akkus oder Batterien kann nur „Gleichstrom“ gespeichert werden und dieser Gleichstrom treibt auch die „Gleichstrom-Motoren“ der Elektro-Autos an.
Dann ist da noch zu erwähnen, wenn aus Wechselstrom Gleichstrom „gemacht“ werden soll, braucht man „Gleichrichter“.
Die entweder an der „Ladestation“ oder in dem „E-Fahrzeug“ verbaut.
Wird jetzt viel elektrische Energie in den Akku „gedrückt“, dann „drängeln“ die „zur Eile aufgescheuchten Elektronen sich gegenseitig beim Platzfinden“ auf die Füße und „der Akku kommt ins Schwitzen“ bzw. man „Spiegeleier und Kuchen“ auf den Akkus backen.

Wie ist das mit dem Laden, werde ich natürlich auch immer gefragt. Wie lange dauert das, Energie für 100 km Strecke zu laden? Wie lange dauert eine Volladung?

Ja und die Antwort lautet dann immer, das hängt von der Stelle ab, an der ich lade.

P=U*I hieß das in der Schule:

Leistung = Spannung mal Stromstärke

oder auch

Watt = Volt mal Ampere.

Wikipedia erklärt: Ein Watt ist die Leistung, um

  • pro Sekunde eine mechanische Arbeit von einem Joule zu verrichten (\mathrm{1\, W = 1 \, \tfrac Js}), also beispielsweise innerhalb einer Sekunde über die Strecke von einem Meter die Kraft von einem Newton aufzuwenden.
  • bei einer elektrischen Spannung von einem Volt einen elektrischen Strom von einem Ampere fließen zu lassen (\mathrm{1\, W = 1\, \mathrm{VA}}), oder
  • ein Gramm Wasser pro Minute um ca. 14,3 K (also innerhalb einer Minute von 15 °C auf etwa 29,3 °C) zu erwärmen.

Was ist denn nun wieder ein Joule. Gebräuchlicher ist bei uns immer noch der Begriff Kcal. Eine Kalorie ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um eine bestimmte Masse Wasser, 1 Gramm bzw. 1 Kilogramm, um 1 Kelvin zu erwärmen. Eine Kcal entspricht dabei etwa 4 kJ.

Beim Auto sprechen wir ja auch immer noch von PS; die man leicht in KW umrechnen kann. 1 PS enspricht dabei 0,735 kW.

Wie dem auch sei, spannend für die Frage der Ladedauer ist letztendlich  wieviel Volt und Ampere die Ladestation liefert.

In unserem Stromnetz wird Wechselstrom geliefert, eine Technologie, die von von Nikola Tesla (da ist er nun, der Namensgeber der Mark Tesla) und George Westinghouse entwickelt wurde.

schuko[1]In der Regel sind zu Hause alle Schuko-Steckdosen mit 16 A abgesichert und lassen kurzzeitig bis zu 16 A Stromstärke zu, aber nicht im Dauerbetrieb.

Im Dauerbetrieb zu Hause an der Schukosteckdose kann ich mit ca. 10 A bei 230 V eine Ladeleistung von 2.300 Watt erreichen.

Eine Volladung (ohne dass die Reserve angegriffen wurde) bedeuten 75,9 kWh also eine Ladezeit von ca. 33 Stunden.

Für Dauerlast 230 V/16 A/6 h sind nur spezielle Caravan Stecker spezifiziert. Somit eine Leistung von knapp 3,7 kW. Die Ladezeit für eine Komplettladung verringert sich dann auf ca. 20 Stunden.

Die nächste Stufe ist dann Drehstrom, bei dem ich ein fünfadriges Kabel statt einem dreiadrigen benötige. Dieser besteht aus drei einzelnen Wechselströmen oder Wechselspannungen gleicher Frequenz. Die drei Wechselströme stehen zueinander über ein fixes Verhältnis in Bezug, das als Verkettungsfaktor bezeichnet wird und bei Dreiphasensystemen immer den Wert {\sqrt  {3}} aufweist. So kommt es dann zu der Angabe von 400 Volt bei Drehstrom.

Die Stromstärke bis zu 63 Ampere ermöglicht theoretisch eine Ladeleistung von bis zu 43,5 Kilowatt.

Da das Model S maximal 22 kW Wechselstrom aufnehmen kann, betrachten wir im Folgenden nur noch eine Stromnstärke bis 32 A.

Mehr als 32 A werden auch zu Hause selten zur Verfügung stehen, weil der lokale Energiebetreiber nicht mehr anliefert.

Zu beachten ist, dass es für 16 A  und 32 A unterschiedliche Stecker gibt, die sich sehr ähnlich sehen, aber einen unterschiedlichen Durchmesser haben.

Allerdings zeigt das Model S auch an einem 400 V Drehstrom Anschluss immer nur 230 V Ladestrom an. Das deshalb, weil zwischen jeder der drei Phasen und dem Nullleiter 230V anliegen.

So wird dann auch die Ladeleistung als 3* 230 V berechnet.

Bei 16 A stehen mir dann 3*230 V * 16 A = 11 kW bzw. bei 32 A 3*230 V * 32 A = 22 kW zur Verfügung. Die Ladezeit verringert sich dann auf 6,9 bzw. 3,4 Stunden.

Wichtig bei der Installation einer Ladestation zu Hause ist auch, dass die notwendigen Leitungsquerschnitte beachtet werden. Je höher die Stromstärke um so dicker das Kabel.

Neben den roten CEE Steckern hat sich hier als Quasi Standard in der Elektromobilität inDeutschland das Typ2 Ladekabel etabliert.

Die öffentlichen Ladestationen der Energiebetreiber sind in der Regel dann auch auf 3,7 kW (Schuko) oder 11kW bzw. 22 kW  (Typ2) ausgelegt.

Allerdings begrenzt Tesla derzeitig den Ladestrom bei 32 A softwaretechnisch auf 26 A, so dass die theoretische Ladezeit an einer 22 kW Station derzeit tatsächlich ca. 4,2 Stunden beträgt.

 

Angezeigt wird immer die Ladeleistung pro Phase. Hier die Anzeige von einer öffentlichen 22 kW Station, bei der die fahrzeugseitige Begrenzung auf 26 A aktiv ist. Die kleine 3 zeigt die Zahl der Phasen, so dass die 6 kW Ladeleistung mit drei multipliziert werden muss.

Um die 32 A Wechselstrom auch im Fahrzeug anzunehmen, können die Modelle mit mit einem sogenannten Doppellader ausgestattet werden.

Dann gibt es noch das CHAdeMO System aus Japan, dass in Deutschland allerdings nur an wenigen Stellen öffentlich bereitgestellt wird. Die Spannung bewegt sich bei diesen Verfahren im Bereich von 300 bis 600 Volt und die Stromstärke bis zu einigen 100 Ampere. Die verfügbaren Ladesäulen in Deutschland liefern Gleichstrom von 50 kW .

Leider ist der CHAdeMO Adapter für den Tesla, der kurze Zeit im Konfigurator bestellbar war, wieder aus dem System genommen worden. Auf Nachfrage teilte mir mein Service Advisor von Tesla heute mit, dass dieser im Moment nicht geliefert werden kann.

Zu guter Letzt sind da natürlich die Supercharger, die bis zu 120 kW Gleichstrom liefern (sollen). Mit diesen habe ich mich bereits in einem Beitrag am 27.02.2014 auseinandergesetzt. Für die Nutzung der Supercharger sind die Modelle mit 85 kWh Batterie bereits freigeschaltet, für die 60 kWh Batterie ist diese gegen Aufpreis konfigurierbar.

Aber selbst wenn die 120 kW auf Dauer bereitgestellt werden, ist die Batterie nicht in der Lage diese dauerhaft an- und aufzunehmen sondern reduziert diese Aufnahmeleistung sukzessive, wie nachfolgende Protokollierung zeigt.

 

Wenn man jetzt alle Ergebnisse gegenüberstellt ergibt sich folgende Übersicht der Ladezeiten.

 

Jetzt wird auch deutlich, warum die Frage nach der Ladezeit oder ladedauer für 100 km Reichweite nicht so ohne weiteres beantwortet werden kann.

Und wenn man unterwegs mal privat bei jemandem lädt, kann man anhand dieser Tabelle auch gut berechnen, welche Kosten man für die Ladezeit berechnen muss. Auf der sicheren Seite ist man immer, wenn man 30 Cent pro kW ansetzt, dementsprechend habe ich in der Tabelle in der letzten Zeile die Kosten für 1 Std. Ladezeit kalkuliert. Maximal übrigens dann immer ca. 23 €. Mehr geht einfach nicht rein.

Und um die privaten Stromlieferanten zu beruhigen, kann man im Fahrzeug die Stärke des abgenommenen Ladestroms begrenzen, so dass es nicht zu Problemen mit Überlastung führen kann.

Übrigens sind alle Angaben ca. Angaben, die immer von den lokalen Gegebenheiten und dem Fahrzeug abhängen. Tatsächlich hat auch der Ladezustand einen großen Einfluß, wie man am Protokoll des Supercharger Besuchs sehen kann. Und zwar um so mehr, um so höher die Leistung ist.

3 Gedanken zu „Ein wenig Physik – Teil 2: Laden“

  1. Herr Zehle, vielleicht sollte man den Unterschied von Wechsel- oder –Drehstrom deutlicher werden lassen,

    denn in den Akkus oder Batterien kann nur „Gleichstrom“ gespeichert werden und dieser Gleichstrom treibt auch die „Gleichstrom-Motoren“ der Elektro-Autos an.

    Dann ist da noch zu erwähnen, wenn aus Wechselstrom Gleichstrom „gemacht“ werden soll, braucht man „Gleichrichter“.
    Die entweder an der „Ladestation“ oder in dem „E-Fahrzeug“ verbaut.
    Wird jetzt viel elektrische Energie in den Akku „gedrückt“, dann „drängeln“ die „zur Eile aufgescheuchten Elektronen sich gegenseitig beim Platzfinden“ auf die Füße und „der Akku kommt ins Schwitzen“ bzw. man „Spiegeleier und Kuchen“ auf den Akkus backen.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.