Lademöglichkeiten für E-Autos – Optimales Aufladen als Schlüssel zum positiven Nutzererlebnis

Viele Menschen empfinden das Fahrerlebnis mit einem E-Auto als angenehm: Spontane Kraftentfaltung, geringe Fahrgeräusche und wenig Antriebsvibration – sowie obendrein das gute Gewissen, mit einem emissionsfreien Fahrzeug der Umwelt zu dienen. Allerdings wird das Nachladen der Fahrzeuge oft als leidig und zeitintensiv empfunden: Der Endkunde sieht sich noch immer mit schwer auffindbaren Ladestationen konfrontiert, deren Ladesäulen gelegentlich auch an der falschen Stelle stehen. Die dazugehörigen Autorisierungs- und Bezahlmöglichkeiten sind nicht einmal in einzelnen Ländern der Europäischen Union einheitlich – international erst recht nicht. Das Freischalten des Ladepunktes kann zudem zeitraubend und umständlich sein. Ein benutzerfreundliches, auf die Markt- und Kundenbedürfnisse zugeschnittenes Ladesystem ist daher entscheidend, um die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei den Endkunden zu steigern. Eine optimale Ladestrategie gewährleistet aber nicht nur einen schnellen, problemlosen und komfortablen Ladevorgang für Endkunden, sondern trägt auch entscheidend zu einer ganzheitlich optimalen Betriebsstrategie bei. Mit entsprechender Ausstattung könnten E-Autos in Zukunft sogar einen Beitrag zur Stabilisierung der öffentlichen Energieversorgung leisten.

Das automatisch selbstladende E-Auto bleibt jedoch vorerst eine Vision. Es gibt zwar seit Jahren unterschiedlichste Zukunftskonzepte für das Laden von E-Autos, angefangen von induktiven, in die Fahrbahn eingelassenen Ladeschleifen bis hin zu solar selbstladenden Fahrzeugen. In naher Zukunft bleibt aber das konduktive Laden, also das Anstecken des Ladekabels am abgestellten Fahrzeug, alternativlos.

INHALT DES ARTIKELS:

> Konduktives Laden – auf absehbare Zeit die Methode der Wahl

> Automatisches Laden – das Auto betankt sich selbst

> Trend in Richtung Drive-By-Ladesäule

> Stecker und Kommunikation – Vielfalt der Systeme

> Magna verfügt weltweit über lokale Markteinsicht und ist mit allen Anforderungen vertraut

> Bidirektionaler Powertransfer – das Fahrzeug als mobiler Speicher

> Integration in die Bordsysteme – das Auto bestimmt die Fahrtroute

> Induktiv und Solar – Visionen für die Zukunft des Ladens

> Entwicklung des Ladesystems muss früh in Gesamtfahrzeugentwicklung eingebunden werden

 

MAGNA VERFÜGT WELTWEIT ÜBER LOKALE MARKTEINSICHT UND IST MIT ALLEN ANFORDERUNGEN VERTRAUT 

Im asiatischen Raum wird für das Laden von E-Autos der japanische CHADEMO-Standard und der chinesische GB/T-Standard verwendet. Beide Standards nutzen einen grundsätzlich gleichen CAN-Bus-basierten Datenaustausch zwischen Ladestation und Fahrzeug. Unterschiede gibt es jedoch bei den verwendeten Ladesteckern. Derzeit wird an einer Zusammenfassung von Chademo- und GB/T-Standard zum ChaoJi-Standard unter Verwendung des gleichen Steckers und Kommunikationsprotokolls gearbeitet.

Zu erwähnen ist auch, dass Hersteller teilweise auch eigene Insellösungen verfolgten, die nur für ihre eigenen Autos und die eigenen Ladestationen geeignet sind. Aber auch hier werden mittlerweile die herstellereigenen Ladeparks auch für andere Fahrzeuge zugänglich gemacht.

Weitere Vereinheitlichungen über Kontinent-Grenzen hinweg sind aber nicht abzusehen. Daher müssen OEMs je nach Markt immer unterschiedliche Lademöglichkeiten anbieten können. Hier hat Magna als Entwicklungspartner den Vorteil, weltweit über lokale Markteinsicht zu verfügen. Zusätzlich gibt es aber auch innerhalb desselben Ladesystems von Ladesäule zu Ladesäule Abweichungen, da die Standardisierung und deren Umsetzung einen gewissen Spielraum lässt. Dies erfordert einen hohen Validierungsaufwand für die unterschiedlichen Märkte. Magna ist sowohl Mitglied im CCS- als auch im Chademo-Konsortium, hat Entwicklungsstandorte in allen relevanten Regionen und ist daher mit den jeweiligen Anforderungen bestens vertraut, um die zuverlässige Funktion an jeder Ladeinfrastruktur sicherzustellen.

 

BIDIREKTIONALER POWERTRANSFER - DAS FAHRZEUG ALS MOBILER SPEICHER 

Das gegenwärtige Unsicherheitsgefühl im Bereich der Energieversorgung lenkt die Aufmerksamkeit verstärkt auf die Möglichkeit, das Autos als „fahrbaren Energiespeicher“ zu nutzen. Hierbei kann das Fahrzeug einerseits als persönlicher Backup-Energiespeicher dienen, wenn es zu einem vorübergehenden Ausfall der externen Stromversorgung kommen sollte; es kann aber auch für den Energieversorger als Pufferspeicher zur Netzstabilisierung dienen. Der sogenannte bidirektionale Powertransfer gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Hierfür muss allerdings das interaktive Zusammenspiel zwischen Fahrzeug und Infrastruktur funktionieren. Eine entsprechende Befähigung ist sowohl für das Fahrzeug selbst als auch für die netzseitige Wallbox notwendig.

Die Möglichkeit, nicht nur Energie ins E-Auto zu laden, sondern auch wieder von dort entnehmen, eröffnet vier unterschiedliche Nutzungsszenarien. So kann das Fahrzeug zur Off-Grid-Versorgung von elektrischen Geräten verwendet werden, beispielsweise im Freizeit- und Campingbereich, wo auch höhere Leistungsaufnahmen notwendig sein können. Private Elektronikgeräte können so zum Beispiel mit dem Energievorrat der Fahrzeugbatterie aufgeladen, Kühl- und Heizgeräte betrieben und E-Bikes nachgeladen werden. Dies ist ein angenehmer und gut vermittelbarer Zusatznutzen des Fahrzeugs. Ebenfalls vermittelbar ist die V2V- und V2H-Funtion einer bidirektionalen Ladeschnittstelle. Die Vehicle-To-Vehicle-Verbindung ermöglicht zum Beispiel das Notladen des liegen gebliebenen Elektrofahrzeugs; die Vehicle-To-House-Integration ermöglicht die Nutzung der Speicherkapazität des Fahrzeugs zur Versorgung eines energieautark konzipierten Eigenheims für den Fall, dass die eigene Solar- oder Windkraftanlage weniger Leistung liefert, als aktuell benötigt wird.

Vehicle-To-Grid-Funktion im Interesse der öffentlichen Energieversorger

Besonders für öffentliche Energieversorger ist die Vehicle-To-Grid-Funktion V2G von großem Interesse. Dabei kann das Fahrzeug Energie zurück ins öffentliche Netz speisen und so dessen Stabilität erhöhen. Die Energieversorgungsunternehmen (EVU) können dadurch einen Teil ihres Lastmanagements auslagern. Dies erfordert allerdings eine vollständige externe Steuerung des Lade- und Entladevorganges der Fahrzeugbatterie, was für den Endnutzer problematisch sein kann. Zum einen kann die Verfügbarkeit des Fahrzeugs eingeschränkt sein, wenn gerade zur Netzstabilisierung viel Energie aus der Fahrbatterie entnommen wurde. Zum anderen kann die Fahrzeugbatterie durch die häufige und extern gesteuerte Entnahme in einem ungünstigen Zustand geladen oder entladen werden. Ein häufiges Verlassen des optimalen Betriebsbereiches der Batterie kann die Lebensdauer des Energiespeichers negativ beeinflussen. Es müssen hier also Modelle gefunden werden, die sowohl für den Endkunden als auch für den Energieversorger attraktiv oder zumindest akzeptabel sind.

INTEGRATION IN DIE BORDSYSTEME - DAS AUO BESTIMMT DIE FAHRROUTE

Eine optimale Gesamt-Betriebsstrategie von batterieelektrischen Fahrzeugen erfordert eine sorgfältig durchdachte Ladestrategie. Dabei ist es wichtig, nicht nur die optimale Batteriekonditionierung zu berücksichtigen, sondern auch den richtigen Zeitpunkt für das Laden zu wählen. So kann beispielsweise die Effizienz gesteigert werden, indem das Fahrzeug bei kühlen Umgebungstemperaturen direkt nach Beendigung der Fahrt aufgeladen wird. In diesem Fall hat die Batterie noch ihre optimale Betriebstemperatur und muss nicht erst wieder energieaufwändig vorgewärmt werden. Umgekehrt kann es bei hohen Außentemperaturen zweckmäßig sein, erst bei abgekühltem Akku zu laden. Eine intelligente Vernetzung der Ladeanlage mit dem Infotainment-Bordsystem des Autos kann dem Benutzer dabei helfen, den optimalen Ladezeitpunkt zu wählen. Das System kann beispielsweise Vorschläge unterbreiten, den Ladevorgang sofort zu starten oder aber zu einem späteren Zeitpunkt durchzuführen.

Eine solche ins Fahrzeuggesamtsystem integrierte Ladestrategie bietet nicht nur Vorteile bei der Routenplanung auf längeren Fahrten, sondern kann auch die effektive Ladegeschwindigkeit verbessern. Dabei berücksichtigt das System nicht nur die verkehrsgünstigste Route, sondern auch die optimale Verteilung von Ladepausen in Abhängigkeit von der Fahrweise und dem daraus resultierenden Energieverbrauch. Ziel ist es, den Fahrer nicht nur zu der für ihn geeignetsten freien Ladesäule zu führen, sondern ihm dort auch schon vorab einen freien Ladepunkt zu reservieren. So können Fahrtpausen auf längeren Strecken bestmöglich zum Nachladen genutzt werden.

Um bei diesen Fahrtpausen auch noch die effektive Ladegeschwindigkeit zu maximieren, ist es wichtig, die Batterie im optimalen Ladezustandsfenster zu betreiben. Denn in diesem Fenster lassen sich die meisten Reichweiten-Kilometer pro Zeiteinheit ins Fahrzeug laden. Abhängig von der aktuellen Situation kann es zum Beispiel auf einer bestimmten Strecke zeiteffizienter sein, zwei kürzere statt einer längeren Ladepause zu machen. Ein intelligentes Lademanagement, das mit dem Bordsystemen verknüpft ist, berücksichtigt all diese Faktoren und unterstützt so den Fahrer, sein E-Auto optimal zu nutzen. Der Entwicklungsdienstleister fungiert hierbei als Schnittstelle zwischen Autohersteller und den Anbietern von Subsystemen wie Ladenetzbetreibern oder Navigationskartenherstellern. Die Zusammenarbeit mit Onlinediensten wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen.

 

INDUKTIV UND SOLAR - VISIONEN FÜR DIE ZUKUNFT DES LADENS 

Neben dem kabelgebundenen Laden sind auch andere Technologien in der Entwicklung und Erprobung. Die Idee eines schnellen Batterietauschs an speziellen Wechselstationen galt zeitweise als erfolgversprechend, verliert jedoch umso mehr an Bedeutung, je schneller das konventionelle kabelgebundene Laden funktioniert. Der Zeitgewinn des Batterietauschs gegenüber dem Laden des fest eingebauten und damit optimal konditionierbaren Speichers rechtfertigt nicht den hohen Aufwand, der allein für die Errichtung eines Tauschstationen-Netzes erforderlich wäre. Es ist unwahrscheinlich, dass Battery-Swapping-Konzepte wesentliche Bedeutung gewinnen.

Für Spezial-Anwendungsfälle sind allerdings Konzepte für das kabellose Laden in der Entwicklung und auch teilweise bereits in Pilotanlagen in der Erprobung. Ein erfolgversprechender Ansatz ist dabei das induktive Laden, wie es bereits für das Laden von Mobiltelefonen oder anderen Geräten genutzt wird. Bisher sind hierfür jedoch nur Single-Point-Lösungen möglich, bei denen Fahrzeug und Infrastruktur 1:1 kompatibel sein müssen. Attraktiv erscheint dieses Konzept daher vorerst für Sonderfälle wie etwa Linienbusse und Taxis sowie zukünftig auch für autonome Nahverkehrs- oder Commutingsysteme. Im Versuchsbetrieb befinden sich auch bereits automatisierte Ladesysteme mit Oberleitungsstrecken, mit denen sich elektrische Omnibusse verbinden können.

 

ENTWICKLUNG DES LADESYSTEMS MUSS FRÜH IN GESAMTFAHRZEUGENTWICKLUNG EINGEBUNDEN WERDEN

Eine weitere innovative Idee ist, das Elektrofahrzeug mit Onboard-Solaranlagen auszurüsten und dabei Photovoltaik-Zellen in Teile der Karosserieaußenseite zu integrieren. Während des Parkens des Fahrzeuges im Freien und bei Sonnenlicht kann so Energie erzeugt werden und damit zumindest ein gewisser Teil der täglich notwendigen Reichweite abgedeckt werden. Allerdings wird dies nur in Ausnahmefällen ausreichen, um den gesamten Energiebedarf des Fahrzeuges zu decken. Trotzdem sollten solche visionären Ideen bei der Entwicklung künftiger Elektrofahrzeuge berücksichtigt werden.

Es ist in jedem Fall sinnvoll, die Entwicklung des Ladesystems so früh wie möglich in die Gesamtfahrzeugentwicklung einzubinden. Dabei ist insbesondere das angestrebte Ladezeit-Ziel von entscheidender Bedeutung, weil es sowohl von der Dimensionierung der Komponenten als auch von deren Zusammenspiel mit dem Thermomanagement von Akku und Ladeanlage beeinflusst wird. Ein erfahrener Entwicklungspartner wie MAGNA kann durch seine Flexibilität dem OEM helfen, ein stimmiges Gesamtfahrzeug auf die Räder zu stellen – unabhängig davon, ob es sich um einen Neueinstieg in die E-Mobilität handelt oder bereits vorhandene Elemente und Baugruppen in ein neues Fahrzeug integriert werden sollen. Dabei ist es von Vorteil, dass MAGNA Kompetenz in allen Bereichen und Stufen der Entwicklung hat – nicht nur im Bereich der alternativen Antriebe