Starkstrom
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Schnellaufladen für Elektroautos: Der Preis ist heiss

Der Traum eines jeden Elektroauto-Fahrers: Ranfahren, Laden und nach 5 Minuten wieder vollgeladen weiterdüsen. Das geht theoretisch, praktisch ist das jedoch eine Frage der Wärmeentwicklung. Und die ist hochproblematisch.

von Robert Basic am 15. August 2018

Zwei Dinge, die stören

Preis und Reichweite. Das sind die beiden Faktoren, die sich immer wiederholen, in allen Umfragen. Wenn es darum geht, warum sich das Elektroauto noch nicht durchgesetzt hat. Beide Faktoren hängen eng mit den immens hohen Kosten der Lithium-Ionen Akkus zusammen, die den Preis nach oben treiben und aufgrund der Energiedichten die Reichweitenfrage aufkommen lassen. Auf die Reichweitenfrage und in diesem Zusammenhang mit der Arie rund um den zügigen Aufladewunsch komme ich noch separat zu sprechen. Schnelles Aufladen löst aber das angebliche „Reichweitenproblem“? Ja und nein. Die Frage ist, wer wie oft überhaupt schnelles Laden benötigt?

Befassen wir uns in diesem Artikel mit der Grundproblematik: Das Thermomanagement eines Elektroautos ist das Nadelör beim schnellen Aufladen.

Strom = Wärme = Zeit

Beliebig banale Beispiele des Alltags zeigen das Zusammenspiel zwischen Wärme und Strom auf: die uralte Glühbirne, der unglückliche Griff ins offene Stromkabel, die Herdplatte. Generell und vereinfacht gesagt gilt, je mehr Strom fließt desto höher die Temperaturen, die sich dabei entwickeln.

Bei einem Schnell-Ladesystem wirkt sich das Temperaturproblem auf das Ladekabel, das interne Ladesystem des Elektrowagens und den Akku aus. Das Batteriemanagement-System (BMS) muss während des dynamisch geregelten Ladevorgangs sicherstellen, dass das Gesamtsystem für den Chemiebaukasten namens Li-Io-Akku stets in einer idealen Temperaturzone bleibt. Ist es viel zu kalt, geht gar nichts, ist es viel zu heiß, brennt uns der Akku durch. Chemiebaukasten Akku also? Klar, auch wir Mensch sind ein Chemiebaukasten. In dem es weder zu kalt noch zu heiß werden darf. Das gilt ebenso für ein Akku im Elektroauto. Böhmische Dörfer? Wer absolut nichts über Batterien weiß, für den habe ich mühsam etwas herausgekramt. Denn die meisten Seiten erklären das so dröge, dass man nichts versteht noch verstehen will.

Grundaufbau einer Batterie

Anbei zwei exzellente Erklärbärvideos von einem englischsprachigen YouTuber, der grundsätzlich die Prinzipien der Elektrochemie sehr simpel und bestechend einfach erklärt. Es lohnt sich für diejenigen, die keinen Blassen haben und vor komplexer Physik zurückschrecken.

Im ersten Video werden die Grundsätze von Elektrochemie erklärt, im zweiten Video geht es mehr um die chemischen Vorgänge innerhalb einer Batterie.

Wer sich den Gefallen getan hat, versteht im Grunde genommen jede Batterie und warum Strom fließt. Was den dedizierten Aufbau eines Lithium-Ionen Akkus angeht, gibt es auch dafür eine sehr einfache und knackige Erklärung (diesmal deutschsprachig):

Lithium-Ionen-Akkus kennen im Grunde nicht den einen Erfinder, auch wenn Goodenough immer wieder und gerne genannt wird. Letztlich kam das erste Li-Io Akku in einer Sony-Cam 1991 (Hi8-Videokamera CCD TR 1) zum Serieneinsatz.

Schnell-Ladung und Wärme = Check.
Batteriaufbau. Check.

Welche grundsätzlichen Prinzipien können sich Autobauer zu Nutze machen, um das ideale Thermofenster stabil zu halten?

Grundlegendes über Wärmehandhabung

Wie könnte man generell Wärme abführen? Die Physik kennt drei grundlegende Prinzipien.

Konduktion: Wenn sich Oberflächen zweier Körper mit unterschiedlicher Temperatur berühren, fließt Wärme zum kälteren System. Das wird auch als Wärmeleitung bezeichnet. Entscheidend ist die Wärmekapazität hierbei: Leitende und nicht-leitende Metalle können Wärme deutlich schneller ableiten (Anregung des engen Teilchengitters) als Flüssigkeiten oder Gase. So leitet Aluminium weitaus besser Wärme ab als Wasser. Und Wasser leitet deutlich besser als Luft.  Wer einen PC zusammengebaut hat, kennt die diversen Kühlmöglichkeiten. Die Wärmepaste der CPU, riesige Kühlrippen, Ventilatoren und Flüssigkeitskreisläufe.

Konvektion: Klar, das Abführen von warmen Wasser oder die Ventilation um eine CPU basieren auf dem zweiten Grundprinzip, Wärme zu regulieren.

Wärmestrahlung: Alles, was elektromagnetisch ist, auch wir als Mensch, erzeugt eine Wärmestrahlung, die wir im Infrarotbereich messen können. Was übrigens die einzige Methode im Vakuum ist, wie Sonnenenergie auf die Erde trifft.

Die Kombination aller drei Prinzipien ermöglicht den Ingenieuren passende Maßnahmen auszuwählen. Standard heute sind eine Kombination aus Luftkühlungs- und Flüssigkeitssystemen. Gepaart mit Konduktionssystemen (der kommende Audi e-tron nutzt hierzu eine spezielle Wärmeleitpaste und Alu-Kühlrippen / plus Luft und Flüssigkeit). Die diversen Ausbauvarianten führen leider manchmal unter Kostenpunkten dazu, dass ein Nissan Leaf oder ein VW e-Golf über kein hinreichendes Wärme-Management verfügen, um an Schnell-Ladern maximal anzudocken. Außer heiße Luft abzutransportieren, kennen der Leaf und der VW e-Golf keine weiteren Möglichkeiten. Und das reicht eben nicht aus, um den Akku und die Elektrosysteme (die besonders) bei einer 150 kW-Zapfsäule zu kühlen. Im Gegensatz zu einem Tesla-S, der mittels einem Flüssigkeitskühlsystem die Seiten der tausenden von Akkuzellen konstant zu regulieren versucht (kennt ebenso seine Grenzen, wenn man wiederholt und maximal beschleunigt).

Natürlich können wir Menschen auch Thermomanagement, und wie! Unser Körper ist ein reinstes Chemiekraftwerk, das stetig Abwärme erzeugt und auch abführt. Wer sich dafür interessiert, der muss sich mein Facebook-Posting dazu reinziehen, das mitten im heißen Sommer entstand. Welch Zufall. Eine Randbemerkung: Ionen können und kennen wir schon längst, um Signale im Körper zu senden, und das seit mehreren Milliarden Jahren. Mittels Ionenpumpen und passiven Ionenkanälen. So großartig neu ist die Erfindung des Li-Io-Akkus eben nicht.

Zurück zur Hartwelt. Es gibt natürlich noch genug Spiel- und Innovationsraum, um die Ladekapazität ebenso wie die Ladegeschwindigkeit zu erhöhen, indem die entstehende Wärme anderweitig abgefangen wird. Beispiel? Und zwar nicht an den Zellwänden einer Akkuzelle, sondern an den Kontaktstellen der Pole! Hierzu das folgende Video und ein separater Beitrag eines Unternehmens, das durchaus erhellend ist :  What is the Best Electric Vehicle Battery Cooling System?

Wem das nicht wissenschaftlich genug ist, der kann sich gerne eine Arbeit dazu durchlesen: Modelling and Simulation of Cooling Systems for BEV High Voltage Battery (.pdf) / Master’s thesis in Automotive Engineering Master’s Programme von Pradeep Dinakar and Gautham Rajeeve an der schwedischen Uni von Göteburg.

Das Empfehlungsdiagramm dieser Master-Arbeit sieht dann wie folgt aus:

Master’s thesis in Automotive Engineering Master’s Programme / Pradeep Dinakar and Gautham Rajeeve
Niemand hat gesagt, dass die Welt einfach aufgebaut sei:)

Was bedeutet das nun für die Zukunft? Wir wissen jetzt ob der Möglichkeiten, die Temperaturen in den Griff zu bekommen.

Ausbau der Ladestationen

Träume von 1.000 kW Ladeleistung bei extrem hohen Voltzahlen sind nicht mehr nur reine Forscherträume. So steht der Ausbauplan von Ionity (einem Zusammenschluss deutscher Autohersteller) bereits fest: Ladeleistungen bis zu 350 kW anzubieten. Das Ganze soll in 400 Schnellladestation in 24 europäischen Ländern bis 2020 münden. Stets entlang der Autobahnrouten, also den Fernverkehrsachsen.

Momentan gibt es kein einziges Fahrzeug, das 350 kW verträgt. Warum das Ganze dann? Ok, es ist als Anschub-Strategie der Auto-Hersteller zu verstehen, die Ladeinfrastruktur in Gang zu bringen, was die Fernfahrerei angeht. Denn immerhin kosten derartige Anlagen keine lumpigen 1.000 Euro, sondern eher 100.000 Euro, wenn das überhaupt ausreicht. Solange Tesla seinen eigenen Standard hat (ist wohl wie Feet vs. Meter) und solange der Bestand an E-Fahrzeugen auch in D zäh unter 1% steht, ist es schwierig, Dritte zu überzeugen. Von was? Geld in die Hand zu nehmen und ein dichtes Autobahnnetz aufzubauen. Würde ich auch nicht. Brav Geld rausfeuern, keiner kommt zum Nachladen und warten bis der Geldarzt kommt. Insofern ist das mit Ionity nicht unsmart. Henne-Ei-Auflösungsbrei.

350 kW ist ja auch nur ein Potential, ein Maximum. Der kommende Audi e-tron packt 150 kW. Der Jaguar i-Pace 100 kW? Es kommt aber demnächst ein Modell, das für Furore gesorgt hat: Die in Berlin (Berlin-Adlershof) von Porsche aufgestellte Ladesäule wird den Porsche Taycan (Serienname für den einst Mission-E genannten Stromer, der 2019 in Serie gehen soll) in 15 Minuten auf 80% der Ladekapazität hochjazzen. Mit 350 kW.

Porsche Taycan Pressefoto

Was ist heute üblich? Angefangen von der Haushaltssteckdose bis hin zu speziellen Umrüstungen in der Garage des Einfamilienhäuschens gehen auch bis zu 22 kW. Für einen Elektroflitzer wie den BMW i3 mit einem 27 kWh Akku sind bis zu 11 kW drin, womit 80% nach rund zwei Stunden erreicht sind. Bei entsprechend dimensionierten Ladesäulen zieht der i3 auch bis zu 50 kW und wäre damit nach 20 Minuten auf 80%.

Will nur laden, nichts verstehen?

Wenn das alles zuviel war? Merkt Euch am Ende des Tages die eine einzige, entscheidende Frage beim Händler: Wie schnell kann das Modell denn effektiv laden? Und hat es dafür überhaupt ein ausreichendes Kühlsystem? Da steht was von x kW. Und in der Praxis?

Im nächsten Teil gehe ich auf die Frage ein, ob überhaupt diese riesigen Ladeströme notwendig sind? Und worauf es primär ankommt.