Ladestation (Elektrofahrzeug)

Heutige Akkumulatorzellen können nur mit Gleichstrom geladen werden. Der Begriff des Gleichstrom- und Wechselstromladens beschreibt, in welcher Form der Strom in das Fahrzeug eingespeist wird.

• Beim Wechselstromladen wird das Elektroauto einphasig über eine In-Kabel-Kontrollbox (ICCB) oder direkt über ein Ladekabel mit einer Haushaltssteckdose (Schukosteckdose) und damit mit dem Stromnetz verbunden. Damit werden nur Ladeleistungen <3,6 kW dauerhaft übertragen. Über 16-A-CEE-Steckdosen oder über eine Wandladestation mit Typ-2-Stecker können dauerhaft 3,6 kW bis 7,2 kW übertragen werden. Je nach Anbieter wird das Wechselstromladen mit bis zu 3,6 kW als „Standardladung“ oder „Notladung“ bezeichnet. Das Ladegerät ist im Fahrzeug integriert. Die Bordladegeräte in einigen Elektroautos sind teilweise in ihrer Leistung auf das Aufladen an haushaltsüblichen Steckdosen (3,6 kW) begrenzt und nicht in der Lage, dreiphasig zu laden, was dann zu entsprechend langen Ladezeiten führt und auch an leistungsfähigeren Drehstrom- oder Wechselstrom-Ladestellen keinen Zeitgewinn ermöglicht. Fahrzeuge mit dem Typ-1-Ladesteckanschluss laden darüber ausschließlich einphasig.

• Beim Drehstromladen wird das Fahrzeug an das Dreiphasenwechselstromnetz mittels ICCB-Kabel an einer 400-V-Drehstromsteckdose oder über ein Ladekabel mit einer Ladestation verbunden. Das Kabel für Ladestationen wird im Fahrzeug mitgebracht und beidseitig mit einem Typ-2-Stecker ausgestattet oder fest an der Ladesäule montiert. Im Fahrzeug befindet sich ein Ladegerät, das den Dreiphasenwechselstrom vom Stromverteilnetz gleichrichtet, und mit dem Batteriemanagementsystem die Regelungsfunktionen (Ladeverfahren) übernimmt. Über das Ladekabel wird dem Fahrzeug die Belastbarkeit des Ladekabels und der Ladestation mitgeteilt. Bei Steckdosen übernimmt das ICCB-Kabel diese Funktion. Bei Bedarf begrenzt das Ladegerät im Fahrzeug den Strom, um die Zuleitungen nicht zu überlasten. Der Lader kann als Extragerät im Fahrzeug eingebaut sein (Smart ED oder Tesla Model S mit bis zu 22 kW) oder ist Teil der Motorsteuerung (Renault Zoe bis 43 kW).

• Beim Gleichstromladen wird Gleichstrom aus der Ladesäule direkt in das Fahrzeug eingespeist. Er wird über ein leistungsstarkes Ladegerät in der Ladesäule entweder aus dem Stromnetz oder aus großen Pufferakkus an Solartankstellen bereitgestellt. Im Fahrzeug befindet sich nur ein Batteriemanagementsystem, das mit der Ladesäule kommuniziert, um die Stromstärke anzupassen oder bei vollem Akku abzuschalten. Die Leistungselektronik befindet sich in der Ladesäule. Wegen des starken Ladegerätes sind die Ladesäulen verhältnismäßig teuer. Gleichstromladen ermöglicht wegen des externen Ladegerätes sehr hohe Ladeleistungen. Das führt zu kurzen Ladezeiten. Voraussetzung dafür ist, dass die Ladesäule 22 bis 350 Kilowatt abgibt und ein entsprechender Gleichstrom-Anschluss am Fahrzeug vorhanden ist. Bei asiatischen Elektroautos ist der CHAdeMO-Anschluss am Fahrzeug integriert und auch der Tesla-Supercharger-Anschluss ist Standard am Fahrzeug. In Europa ist heutzutage der CCS-Anschluss am weitesten verbreitet, der von den Herstellern ebenfalls standardmäßig oder selten als kostenpflichtige Zusatzausstattung angeboten wird.

In der Norm IEC 61851-1 werden drei Arten unterschieden, wie Ladestation und Fahrzeug verbunden sein können. Unterschieden werden drei Anwendungsfälle:[3]

• A: Das Kabel ist fest mit dem Fahrzeug verbunden.
• B: Das Kabel ist beidseitig gesteckt.
• C: Das Kabel ist fest mit der Ladestation verbunden.

Weiterhin wurden in der IEC 61851 vier verschiedene Lademodi definiert. In Mode 1 werden normale Kabel mit entsprechenden Steckern verwendet. Mode 2 nutzt Kabel, die über Signalisierungseinrichtungen (Widerstandscodierungen) verfügen, die der fahrzeugseitigen Ladeelektronik die Strombegrenzung der Ladestelle vorgeben. Bei Mode 3 kommunizieren Ladesäule und Fahrzeug über das Ladekabel. Mode 4 ist für Gleichstromladeverfahren, bei denen ebenfalls eine Kommunikation zwischen Fahrzeug- und Ladesäulenelektronik stattfindet.

Ladestation Park & Charge mit Schuko- und CEE-Steckdosen

Kleinelektromobile laden in der Regel nur geringe Energiemengen. Nicht zuletzt durch die Leistungsbegrenzung der Ladegeräte reichen für Elektrofahrräder beispielsweise haushaltsübliche Schuko-Steckdosen. Zusätzlich können die Akkus entnommen und an Steckdosen in Innenräumen aufgeladen werden oder es wird ein Verlängerungskabel nach draußen verlegt. Dies ist die einfachste Form einer „Ladestationsstelle für Elektrofahrzeuge“.

Bevor 2016 die Ladesäulenverordnung erlassen wurde, die für öffentlich zugängliche Ladestation einen Anschluss von IEC Typ 2 vorschreibt, wurden nicht-kommerzielle Ladestationen häufig auf Basis des CEE-Systems gebaut. Dafür wurden private Außensteckdosen für Wechselstrom- oder Drehstrom mit Steckern und Kabel nach den Normen für elektrische Geräte IEC 60309/CEE ausgestattet, die günstiger erhältlich waren als Typ-2-Systeme. Mit dieser beachtlichen Technik und mit einfachsten organisatorischen Maßnahmen wie der pauschalen Verrechnung der bezogenen Energie entstanden zu Beginn der 2010er-Jahre Verbünde wie Park & Charge und „Drehstromnetz“, denen sich Elektroautofahrer anschließen konnten.

Typ-1-Ladekupplung

In Nordamerika wurde der Standard SAE J1772 aus dem Jahr 2001 überarbeitet (es war ursprünglich ein eckiger Stecker für Flur- und Hubwagen). Die nordamerikanischen Autohersteller einigten sich mit der SAE J1772-2009 auf den Yazaki-Vorschlag. Dieser wurde später in der internationalen Norm IEC 62196-2 als Typ 1 bezeichnet. Es handelt sich um einen fünfpoligen runden Stecker mit 43 mm Durchmesser, der für den Anschluss an Einphasen-Wechselstrom vorgesehen ist. Dabei enthält die Spezifikation Vorgaben für den Anschluss an den in Nordamerika üblichen 120-Volt-Haushaltsstrom (Level-1-spezifizierter Ladestrom bis 16 Ampere bei maximal 120 Volt) als auch den in Europa üblichen 230-Volt-Haushaltstrom (Level-2-spezifizierter Ladestrom bis 80 Ampere bei maximal 230 Volt). Der Steckertyp hat fünf Steckkontakte – zwei Kontakte für einphasigen Wechselstrom, eine Erdung sowie zwei Signalkontakte, die kompatibel mit den Signalkontakten sind, wie sie schon 2001 definiert wurden. Später wurde dieser Stecker unter dem Begriff des Combined Charging Systems mit Gleichstromkontakten zum Combo-1-Stecker erweitert. Typ 1 und Combo 1 sind auf dem nordamerikanischen Markt eingeführt. Auch viele japanische Fahrzeuge verwenden den Typ-1-Stecker für das Wechselstromladen.

Typ-2-Ladekupplung

In den EU-Mitgliedsstaaten wurde erst 2013 mit dem Standard EN 62196 Typ 2 (auch Mennekes-Stecker genannt) ein universelles Steckersystem für Elektroautos im Leistungsumfang von 1,9 kW bis 240 kW spezifiziert. Bis dahin waren mehrere inkompatible Ladestandards verwendet worden.

Der unter Federführung des Stecker-Herstellers Mennekes entworfene und von mehreren Automobilherstellern und Stromkonzernen unterstützte Ladestandard EN 62196 Typ 2 ermöglicht am CP-Pin des Steckers die bidirektionale Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation. Mittels CP-Signal liest die Ladesäule die vom Auto unterstützte Ladeleistung aus. Sofern dann an einem Ladestation-Standort sich mehrere Ladesäulen einen einzigen Energieanschluss teilen, kann ein zentrales Lastmanagement per Pulsweitenmodulation (per CP-Pin) die Ladeleistung der in den Fahrzeugen verbauten Ladegeräte (Mode 1–3) reduzieren, damit die Gesamtladeleistung aller angeschlossenen Fahrzeuge die maximale Energieanschlussleistung der Tankstellenanlage nicht übersteigt. Die Ladedauer kann daher variieren. Aus der Definition der Ladeleistungssignalisierung per Pulsweitenmodulation ergibt sich auch eine „6 Ampere“ große Mindestladestromstärke pro Phase, aus der sich in 230 V Netzen bei einphasiger Ladung eine Mindestladeleistung von 6 A × 230 V (= 1380 W ≈ 1,4 kW) ergibt.

Typ 2 ist der in Europa meistverbreitete Ladestationentypus.[4] Jedes Elektrofahrzeug kann mit Typ 2 laden, wenn auch oft nur mit reduzierter Ladeleistung. Konzeptionell unterstützt er aufgrund der unterstützten IEC-Normen neben der Kommunikation in zwei Richtungen auch Stromflüsse in zwei Richtungen. Dadurch können Fahrzeugakkus künftig – entsprechend koordiniert und tarifiert – Lastschwankungen im Leitungsnetz ausgleichen.

Combo 2: Gleichstrom-CCS-Kupplung

Das kombinierte System Combo 2 (CCS) erlaubt es, dass E-Autos in Europa mit nur einer Ladekupplung an allen gängigen Ladesäulen laden können. Dazu wurde die siebenpolige Typ-2-Kupplung für einphasigen Wechselstrom (AC) bzw. dreiphasigen Drehstrom um zwei große leistungsfähige Steckkontakte für Gleichstrom (DC) erweitert. Die seit einigen Jahren angebotenen BMW i3 und Volkswagen e-Golf und e-up können etwa 40 kW per CCS aufnehmen. Bis auf einige Hersteller wie Smart und Nissan, die bereits vor der CCS-Einführung Elektroautos auf den Markt brachten, bieten fast alle Hersteller neuer Elektroautos in Europa mit CCS als Serienausstattung oder Extra an. Tesla hatte seit 2013 an seinen Superchargern in Europa den Typ-2-Stecker auch für die Gleichstromaufladung bis 135 kW genutzt, erweiterte dann seit 2019 die Ladesäulen um CCS-Stecker, weil das ab 2019 ausgelieferte Model 3 serienmäßig CCS zum Gleichstromladen nutzt. Für die älteren Typen Model S und Model X wird ein CCS-Adapter angeboten, denn neue Supercharger-Ladesäulen werden in Europa nur noch mit CCS-Stecker versehen. Derzeit sind Leistungen von bis zu 350 kW möglich (Stand März 2023).[5][6]

CHAdeMO-Ladekupplung

Japanische E-Auto-Hersteller wie Mitsubishi und Nissan boten ab 2010 als erste unter der Bezeichnung CHAdeMO eine leistungsfähige Gleichstromladung mit bis zu 50 kW an. Neben zwei großen Gleichstromkontakten hat der CHAdeMO-Stecker auch acht kleine Kontakte für Erdung und Kommunikation, aber keine stromführenden Kontakte für Wechselstrom. Dafür ist im Auto zusätzlich eine zweite Steckdose nötig, meist einphasig als Typ 1 ausgeführt. Dies erfordert entweder eine große Ladeklappe, hinter der beide Buchsen Platz finden, oder zwei getrennte Ladeklappen. Eine kombinierte CCS-Buchse passt dagegen wie beispielsweise im e-Golf hinter die übliche kleine Tankklappe. Neben dem Nissan Leaf, der ein Jahrzehnt lang als meistverkauftes Elektroauto der Welt galt, haben auch die als Peugeot oder Citroen angebotenen Mitsubishi i-MiEV-„Drillinge“ auf Chademo gesetzt, zudem einige davon abgeleitete Nutzfahrzeuge, und die erste Generation des Kia Soul EV. (Siehe Fahrzeugliste mit CHAdeMO und Verbreitung von CHAdeMO).

In Japan gilt CHAdeMO als Standard; Importfahrzeuge wie BMW i3 sind mit CHAdeMO ausgestattet. Tesla bietet für Model S und X einen CHAdeMO-Adapter an, wodurch diese Modelle, sofern sie auch noch den seit 2019 erhältlichen CCS-Adapter haben, an den in Europa üblichen Triple-Ladesäulen jeden der drei Stecker nutzen können. Hierbei wird Drehstrom (AC) über Typ 2 direkt aus dem Netz angeboten und Gleichstrom entweder über CCS oder Chademo, je nachdem welcher Stecker zuerst benutzt wird. Daher ist in Deutschland das CHAdeMO-Angebot meist mit CCS verknüpft, reine CHAdeMO-Ladesäulen gibt es praktisch nur bei Nissan-Händlern. Der Nissan Leaf ist das einzige aktuelle Elektroauto, das in Europa noch auf CHAdeMO setzt, die koreanischen Hersteller wie Kia haben zu CCS gewechselt, auch Honda bietet CCS an.

CHAdeMO arbeitet in beide Richtungen und ermöglicht so die Nutzung des Auto-Akkus direkt über Gleichstrom für verschiedene Anwendungen, etwa bei Stromausfall ein Haus zu versorgen oder in das Stromnetz einzuspeisen. Dies wird als Vehikel-zu-X (V2X) bezeichnet, wobei X für Haus (H), Stromnetz (G für Grid) oder sonstiges stehen kann, etwa beim Camping, bei Veranstaltungen, am Schrebergarten.

Die typische Ausbaustufe der CHAdeMO-Ladesäulen ist eine Ladeleistung bis 50 kW. Der neue Standard CHAdeMO 2.0 ermöglicht bis 400 kW,[7] wobei es noch keine Fahrzeuge dafür gibt. CHAdeMO arbeitet für die weitere Entwicklung mit dem chinesischen GB-Standard zusammen.

Tesla Model 3 am Supercharger

Das Unternehmen Tesla hatte für die Tesla-Supercharger-Ladestationen (ab 2012) einen proprietären Stecker entwickelt. Aufgrund der EU-Gesetzgebung wurde er in Europa jedoch nicht angewendet. Tesla nutzte den Typ-2-Stecker als Schnittstelle für das Laden der europäischen Varianten des Model S und Model X. Diese Steckverbindung ermöglicht sowohl das ein- oder dreiphasige Laden an normalen Typ-2-Ladestationen als auch das Realisieren von Leistungen bis zu 142 kW mit einem ausschließlich für Tesla-Fahrzeuge eingesetzten Gleichstromladeverfahren an den sogenannten Tesla-Superchargern. Das Model 3 und Model Y und neuere Model S und Model X besitzen zur Gleichstromladung einen CCS-Anschluss.

Supercharger der Version 3 besitzen in Europa ausschließlich CCS-Stecker, weswegen ältere Model S und Model X einen Adapter benötigen.[8]

Nachdem Tesla die Supercharger auch für das Laden anderer Elektrofahrzeuge öffnete, stellte sich in Nordamerika eine Marktüberlegenheit bei Schnellladestationen ein. Im November 2022 veröffentlichte Tesla die Spezifikation für den Ladeanschluss als North American Charging Standard (NACS) und reichte es zur Standardisierung unter SAE J3400 ein. In der Folge lizenzierten andere Firmen den Stecker für den nordamerikanischen Markt, einschließlich Firmen, die bisher schon eigene Ladestationen mit dem SAE J1772 (Combo 1) errichtet hatten. Bis Juli 2023 haben Ford, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Polestar, Rivian und Volvo angegeben, zukünftige Modelle mit dem NACS in Nordamerika auszuliefern, und die alten Ladeanschlüsse nur noch über Adapter zu unterstützen. Anschließend gaben eben jene sieben Firmen bekannt, gemeinsam eine Ladeinfrastruktur mit 30.000 Schnellladepunkten mit Combo-1- und NCAS-Anschlüssen in Nordamerika errichten zu wollen.[9]

In China wird als Ladestecker für Wechselstrom beim Standard GB/T 20234.2 eine Steckverbindung genutzt, die von ihrem mechanischen Aufbau der Typ-2-Steckverbindung entspricht. Im Gegensatz zum europäischen System sind jedoch „Stecker“ und „Kupplung“ vertauscht. Der Ladestecker für Gleichstrom entspricht dem Standard GB/T 20234.3 und ähnelt vom Erscheinungsbild CHAdeMO, ist zu diesem aber inkompatibel.

Die folgende Tabelle zeigt typische Stromquellen und deren Anschlüsse, die zum Aufladen von Elektrofahrzeugen genutzt werden.

Ein Ladepunkt wird als Einrichtung definiert, an der zur gleichen Zeit nur ein Elektromobil aufgeladen werden kann. Ladesäulen, an denen mehrere Fahrzeuge gleichzeitig laden können, bestehen demnach aus mehreren Ladepunkten, die alle mindestens jeweils die geforderten Steckverbindungen aufweisen müssen. Ein Ladepunkt ist „öffentlich, wenn er sich entweder im öffentlichen Straßenraum oder auf privatem Grund befindet, sofern der zum Ladepunkt gehörende Parkplatz von einem unbestimmten oder nur nach allgemeinen Merkmalen bestimmbaren Personenkreis tatsächlich befahren werden kann.“[10]

Prototyp eines induktiven Ladesystems für PKW

Neben der Energieübertragung über Kabel und Steckverbindungen kann elektrische Energie auch über elektrische Wechselfelder induktiv übertragen werden. Neben der Vermeidung von verschleißenden Steckverbindungen an elektrisch leitenden Kontakten ist auch ein Berührungsschutz gegeben. Prinzipiell genutzt wird dabei die Transformatortechnik mit einer primärseitigen Erregerspule, die von Wechselstrom aus dem Stromnetz durchflossen wird. Den in der fahrzeugseitigen (Sekundärseite) Induktionsspule ausgekoppelten Wechselstrom wandelt das im Fahrzeug eingebaute Ladegerät in Gleichstrom und lädt die Antriebsbatterie.

Induktive Ladesysteme gibt es seit vielen Jahren. Das gleiche Prinzip nutzen auch akkubetriebene elektrische Zahnbürsten. Die gute Koppelung beider Spulen durch einen geringen Abstand verringert die Übertragungsverluste. Die Energie wird daher in besonderen Ladepositionen übertragen. Schon das Ladesystem Magne Charge, genormt in der amerikanischen Norm SAE J1773, nutzte in den 1990er-Jahren diese Technologie, auch wenn dort die Primärspule als eine Art Stecker in einen Ladeschlitz am Auto geschoben werden musste. Durch das Einschieben wurden die beiden Spulen optimal positioniert und durch den geringen Abstand die Induktionsverluste minimiert. Fahrzeuge mit diesem Ladestandard sind unter anderem die Elektroautos General Motors EV1 (1996), Chevrolet S-10 EV (1997) und Toyota RAV4 EV (1997) der ersten Generation. Das Laden mit 6,6 kW ist am weitesten verbreitet (Level 2). Für Level 3 mit bis zu 50 kW existierten Demonstratoren.[11] Das Ladesystem ist bei den noch aktiven Fahrzeugen noch immer im Einsatz, jedoch wurde kein Nachfolgesystem spezifiziert und es wird nicht mehr angeboten (Stand 2016). Im Spielfilm Gattaca wird der Einsatz gezeigt.

Im öffentlichen Straßenverkehr wurden seit 2002 in den italienischen Städten Genua und Turin Erfahrung mit Anlagen für Busse gesammelt, die an Haltestellen ihre Akkus induktiv nachladen können.[12][13] Auch in Deutschland werden Batteriebusse mit diesem Ladesystem erprobt, beispielsweise in Braunschweig und Berlin.[14] In Berlin werden dabei Ladeleistungen von bis zu 200 kW erzielt.[15] Die Universität Duisburg-Essen erprobt in Mülheim an der Ruhr seit 2021 das induktive Laden von Taxis am Taxistand.[16] Die deutschen PKW-Hersteller arbeiteten ebenfalls an induktiven Lademöglichkeiten, um ein Laden ohne Stecker anbieten zu können. Das von BMW 2018 einführte System[17][18] ist aber bei BMW nicht mehr bestellbar. Die Ladeleistung ist für die immer größer werdenden Batterien nicht ausreichend.

Im industriellen Bereich ist die induktive Energieübertragung beispielsweise für fahrerlose Transportfahrzeuge während der Fahrt bereits seit vielen Jahren kommerziell verfügbar. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat 2015 Tests mit bis zu Tempo 30 km/h durchgeführt.[19][20]

Im Stromnetz liegt der elektrische Strom als Wechselstrom vor. Akkus brauchen zum Aufladen jedoch Gleichstrom. Die Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom wird durch elektronisch gesteuerte Ladegeräte durchgeführt. Das Ladegerät kann entweder in der Ladestation oder im Elektroauto verbaut sein. Je höher die Spannungen und Ströme bzw. die Ladeleistung sind, umso teurer werden die Ladegeräte. Ladestationen, die nur Typ 2 – also Wechselstrom – anbieten, sparen sich das Ladegerät. Solche Ladestationen können schon für etwa 1000 Euro installiert werden.[28] Ladestationen, die Gleichstrom – also CHAdeMO und/oder CCS oder Tesla Supercharger – anbieten, benötigen das Ladegerät in der Ladestation. Solche Ladestationen können 50.000 Euro und mehr kosten.[29][30] Deshalb sind aus Kostengründen die mit Abstand meisten Ladestationen in Deutschland und Europa vom Typ 2, also mit Wechselstrom (s. Infrastruktur).[31]

Die an den Ladestationen angebotene Ladeleistung ist ein wesentlicher Faktor für die Ladedauer. In Deutschland (Stand 2016) weit verbreitet sind Typ-2-Wechselstrom-Ladestationen mit 11 kW oder 22 kW. Vereinzelt werden Typ-2-Anschlüsse mit 43 kW angeboten. Höhere Ladeleistungen bieten die Gleichstrom-Ladestationen. Für CHAdeMO und CCS waren 2016 Ladeleistungen von bis zu 50 kW üblich. Seit März 2018 sind auch Ladeleistungen von bis zu 350 kW technisch möglich (s. Ultra-Schnellladesäulen).[32][33][34]

Die Ladedauer hängt sowohl von der Leistungsfähigkeit der Ladestelle als auch von der technischen Ausstattung des Fahrzeugs, vom Akku-Typ und der Temperatur des Akkus ab. An einem Ladepunkt, dessen Leistungsfähigkeit gering ist, benötigt auch ein schnellladefähiges Fahrzeug eine sehr viel längere Ladezeit, wie auch umgekehrt ein Fahrzeug mit schlechter Ausstattung an einer Schnellladestelle nur sehr langsam laden kann.

Auf Seiten der Ladestelle kann die Begrenzung der maximal möglichen Leistungsabgabe bedingt sein von einer begrenzten Kapazität des Netzanschlusses und vom verwendeten Steckersystem. Stationen mit mehreren Ladeanschlüssen können die zur Verfügung stehende Ladeleistung auch auf mehrere Fahrzeuge aufteilen. Bei Gleichstromladestationen kommt zudem die Leistungsfähigkeit der darin eingebauten Ladegeräte hinzu. Alle anderen Limitierungen wie Absicherung oder Kabelquerschnitte ordnen sich diesen Gegebenheiten unter.

Haupteinflussfaktor fahrzeugseitig für eine Schnellladung ist neben dem Typ und der Kapazität des aufzuladenden Akkus bei Wechselstromladung vor allem die Leistungsfähigkeit des verbauten Bordladers. Bei heute genutzten Kapazitäten von 10 bis 90 kWh sind für Ladezeiten unter 30 Minuten Ladeleistungen von 20–180 kW notwendig, ohne dabei Hemmnisse wie u. a. Strombegrenzungen im oberen Ladebereich des Akkus zu berücksichtigen. Eine haushaltsübliche Schuko-Steckdose liefert 2,5 bis 3,6 kW; ein 400-V-/16-A-Anschluss 11 kW; ein 32-A-Anschluss 22 kW; ein 63-A-Anschluss 43 kW. Es zeigt sich, dass die verbreiteten Drehstrom-Anschlüsse bei den derzeit am weitesten verbreiteten Akkukapazitäten von rund 20 kWh und der bis 43 kW spezifizierte Typ-2-Stecker eine Aufladung in weniger als einer Stunde ermöglichen. Der Ladestrom muss akkuabhängig begrenzt werden, um Schäden an den Zellen zu vermeiden. Bei den lithiumbasierten Zellen, aus denen die Antriebsbatterien heutiger Elektrofahrzeuge bestehen, werden von den Herstellen meist 0,5 C bis 1 C und damit eine Ladezeit von unter 2 Stunden als Normalladung empfohlen.[35] Ladegeräte, die im Fahrzeug mitgeführt werden, begrenzen häufig den Ladestrom, obwohl der Akkumulator selbst auch schneller geladen werden könnte. So werden bei vielen deutschen Elektroautos heute Bordlader mit einer Leistung von lediglich 3,6 kW verbaut, was zu Ladezeiten von 6 bis 8 Stunden führt.

Als Ladeverfahren kommen meist das IU-Ladeverfahren (CCCV) oder Abwandlungen davon zum Einsatz. Bei der sogenannten Schnellladung wird der Akkumulator häufig nur zu etwa 80 % aufgeladen. Bis zu dieser Grenze kann zumeist die volle Leistungsfähigkeit der Ladeelektronik genutzt werden. Danach muss der Ladestrom begrenzt werden, um das Überladen der Akkuzellen zu vermeiden, was jedoch eine sehr zeitintensive „Vollladephase“ nach sich zieht. Es ist daher aus zeitlicher Sicht effektiver, die Ladung bereits bei 80 % zu beenden. Moderne Akkus können in 20–30 Minuten auf 80 % aufgeladen werden.

Um mit Typ 2 – also Wechselstrom – laden zu können, brauchen die Elektroautos ein eingebautes Ladegerät. Um Kosten, Bauraum und Gewicht zu sparen, verbauen viele Hersteller nur ein Ladegerät für kleine Ladeleistungen, was dazu führt, dass die Ladezeit deutlich ansteigt. So kann etwa der BMW i3 nur mit maximal 7 kW bzw. 11 kW an Typ 2 laden, auch wenn 22 kW oder 43 kW angeboten werden. Dagegen kann der BMW i3 über CCS mit 50 kW laden, was zeigt, dass der Akku derart große Ladeströme verarbeiten kann. Auch beim Nissan Leaf (2017) kann das Ladegerät bei Typ 2 nur einphasig statt dreiphasig laden, was die Ladeleistung auf ein Drittel der angebotenen Leistung senkt. Bei CHAdeMO kann der Nissan Leaf jedoch ebenfalls mit 50 kW laden (s. Ladetechnik beim Nissan Leaf). Der Renault Zoe kann bei Typ 2 mit 22 kW laden und mit dem Q-Motor (Q90 Q210) mit 43 kW AC (s. Ladesystem beim Renault Zoé).

HyperCharger (HPC) SachsenEnergie in Sebnitz

Die Bezeichnung Ultra entstand 2016 in Abgrenzung von den bisherigen Fast-Charge-Schnellladesäulen. Im Projekt „Ultra-E“, das über die EU co-finanziert wurde, sollte ein Korridor von den Niederlanden über Belgien und Deutschland bis nach Österreich entstehen. Die Studiengruppe weist aus, dass bei einer Ladezeit von maximal 20 Minuten für Geschäftsreisende der Komfort vor den Preis rückt. Dafür sind Ladeleistungen ab 150 kW notwendig, und bei einer Batterie-Kapazität von 100 kWh ergibt sich eine Auslegung der Ladepunkte mit 350 kW.[36][37] Für die daraufhin entwickelten Schnelllader wird im deutschsprachigen Raum die Bezeichnung High-Power-Charging (HPC) verwendet.[38] Für entsprechend ausgerüstete Fahrzeuge ist dort das Nachladen einer Reichweite von 300 km in 20 Minuten möglich. Die Ladesäulen sind mit CCS-Steckern versehen und kompatibel für Fahrzeuge mit 50-kW-CCS-Lader. An solchen Ladestationen sollen auch Busse, LkWs und sonstige Nutzfahrzeuge aufgeladen werden können.[39][40]

Die Autohersteller VW, Daimler, BMW, Ford und Hyundai hatten bis um das Jahr 2020 mit dem Unternehmen Ionity im größten Teil Europas ein Netz von Ultra-Schnellladesäulen mit 350 kW Ladeleistung errichtet, das in der Folge weiter verdichtet wurde. Die Ladestationen sind an Autobahnen und vielbefahrenen Durchgangsstraßen platziert. Als Stecker wird das Combined Charging System (CCS) verwendet. Eine formelle Zulassungsbeschränkung Fahrzeuge anderer Hersteller besteht nicht, der hohe Ladepreis sorgt bei deren Nutzern jedoch für Unmut.[41][42]

Der niederländische Schnellladeanbieter Fastned baut auch in Deutschland Ultra-Schnellladesäulen mit Leistungen zwischen 150 kW und 350 kW auf. In den Niederlanden besitzt Fastned bereits ein Netz von Schnellladestationen meist auf Autobahnraststätten.[43] Ziel des Unternehmens ist es, in Europa ein Netzwerk von über 1.000 solcher Schnellladestationen zu errichten, davon mehrere Hundert in Deutschland.[44] Im März 2018 nahm Fastned die erste Lädesäule mit 350 kW Ladeleistung in der Nähe von Amsterdam in Betrieb.[45] Im Juni 2018 nahm die erste 350-kW-Ladestation von Fastned in Deutschland bei Limburg ihren Betrieb auf.[46] Dies ist anfänglich auf zwei Ladepunkte mit je 175 kW verteilt, die sich später für 350 kW zusammenschalten lassen sollen.[47] Bis Anfang 2021 hatte Fastned 125 Ultra-Schnelladesäulen eingerichtet, davon 18 in Deutschland und zwei in der Schweiz.[48] Insgesamt hat Fastned in der Schweiz den Auftrag für 20 Ultra-Schnelladesäulen vom Bundesamt für Strassen erhalten. Auch Gotthard Fastcharge (GOFAST), mehrheitlich im Besitz von Energie 360°, Groupe E, Primeo Energie/Alpiq E-Mobility und SOCAR Energy Switzerland haben den Auftrag bekommen, je 20 Ultra-Schnelladesäulen in der Schweiz zu bauen.[49]

Im März 2018 nahm der Windenergiekonzern Enercon die erste Ultraschnellladesäule mit 350 kW in Aurich (Ostfriesland) in Betrieb. Kernkomponenten sind Wechselrichter, die Enercon auch in seinen Windrädern verbaut. Ein weiteres zentrales Element der Ladesäule ist ein Batteriespeicher, so dass der Strom langsam und damit schonend oder bei Stromüberschuss schnell aus dem Netz in den Zwischenspeicher entnommen werden kann und später mit 350 kW schnell an das Elektroauto übertragen werden kann.[50]

Im Juli 2020 gab Aral bekannt, 100 Ultraschnelladesäulen binnen eines Jahres aufzubauen.[51] Im Februar 2021 waren diese 100 Ladepunkte an 25 Tankstellen betriebsbereit.[52] Aral erweiterte die Planungen dann auf 500 Ladepunkte mit bis zu 350 Kilowatt Ladeleistung an 120 Tankstellen bis zum Jahresende^[veraltet].[52]

In Deutschland gibt es derzeit (Stand 07/2022) etwa 3.200, europaweit etwa 8.300 Ladestandorte mit mindestens 100 kW Ladeleistung.[53][54]

Für das geplante Deutschlandnetz ist vorgesehen, bis Ende 2023 mehr als 8.000 Ladepunkte herzustellen. Sie müssen eine Nenn-Ladeleistung von mindestens 300 kW pro DC-Ladepunkt aufweisen und auch bei Vollauslastung eines Standorts müssen mindestens 200 kW je Ladepunkt gewährleistet werden.[55]

Seit März 2018 sind die ersten 350-kW-Ladestationen im realen Betrieb.[56] (siehe oben Ultra-Schnellladesäulen)

Für hohe Ladeleistungen ist die Kühlung der Kabel erforderlich. Gekühlte Kabel sind seit 2018 am Markt verfügbar; sie wurden von ihren deutschsprachigen Herstellern unter dem Begriff „High Power Charging“ (HPC) entwickelt.[57][58] Ein früherer Feldversuch von Tesla wurde 2016 abgebrochen.[59] Für das HPC-Ladesystem erschien 2020 die überarbeitete Richtlinie IEC/TS 62196-3-1; IEC 61851-23 soll aktualisiert werden.[60] Demnach wird eine maximale Kontakttemperatur von 90 Grad Celsius und eine maximale Temperatur der berührbaren Teile von 60 Grad Celsius erlaubt. Eine spezielle Norm für gekühlte Ladekabel wird ebenfalls vorbereitet.[58]

Ende 2018 zeigte eine Allianz der Unternehmen Allego, Porsche, Phoenix Contact und BMW eine öffentliche Station mit gekühlten Ladekabeln, die eine Leistung von 450 kW erreicht.[61][62] Nutzer berichteten, dass der Prototyp dieser Ladestation durch die leistungsfähigen Kühlsysteme relativ laut ist.[63] Chinesische Hersteller beginnen 2022 mit dem Aufbau von Ladesäulen mit 480 kW beziehungsweise 500 kW, wobei kurzzeitig bis zu 650 A bereitgestellt werden.[64]

Für Lastkraftwagen mit erwarteten Batteriegrößen von 200-600 kWh wird gefordert, dass diese mit einer Ladeleistung von mindestens einem Megawatt geladen werden müssen, um in 20-30 Minuten etwa 80 % Akkuladestand erreichen zu können. Eine Vereinigung von Unternehmen entwickelt hierfür das Megawatt-Ladesystem MCS mit einer Stromstärke von maximal 3000 Ampere bei maximal 1500 Volt Spannung.[65] Im Juni 2022 wurde ein Prototyp des vorgesehenen dreieckigen Steckers gezeigt.[66]

Unter Umständen sind lokale Netze oder Netze in Gebäuden nicht ausreichend für die Anforderungen der Elektromobilität dimensioniert. Hier sind gegebenenfalls Lastmanagementsysteme erforderlich. Diese verhindern, dass das jeweilige Netz durch die Ladevorgänge überlastet wird.

Für Schnellladestationen mit hoher Ladeleistung gibt es erste Anwendungen mit Batteriespeicher als Zwischenspeicher (Puffer), durch den das Stromnetz entlastet wird. Der Puffer wird langsam aus dem Stromnetz geladen und kann dann schnell den Strom an das Elektroauto abgeben. Somit wird das Stromnetz nicht belastet und Schnellladestationen sind auch in Gegenden mit schwachem Stromnetz möglich.[72][50][73][74][75][76] Diese spezielle Betriebsart unterscheidet Pufferspeicher von einem ansonsten ähnlichen Batterie-Speicherkraftwerk.

In Deutschland gibt es 67.288 Normalladepunkte und 13.253 Schnellladepunkte, die bei der Bundesnetzagentur als „öffentlich zugänglich“ angemeldet sind (Stand Januar 2023).[79] Im Ladestation-Verzeichnis GoingElectric.de waren 32.278 Standorte in Deutschland mit insgesamt 97.488 Ladepunkten eingetragen (Stand Januar 2023).[80] Laut einem Vergleich der Ladestationsdichte in Europa durch den Europäischen Automobilherstellerverband vom September 2021 lag Deutschland auf Platz 3, nach den Niederlanden und Luxemburg.[81]

Die öffentlichen Ladestationen in Deutschland werden von 2362 verschiedenen Unternehmen betrieben (Stand Februar 2021).[82]

Liste der größten Betreiber nach Anzahl der Ladepunkte

Liste der größten Betreiber nach Anzahl der Schnellladeparks

Mit mind. drei 150 kW Anschlüssen, rund um die Uhr offen für alle. Die Fördermaßnahme Deutschlandnetz soll für eine Verdichtung sorgen.

Das Bundeswirtschaftsministerium erließ am 9. März 2016 eine Ladesäulenverordnung für Deutschland.[83] Hintergrund war die Umsetzung der EU-Richtlinie 2014/94/EU mit dem Ziel der Schaffung einer einheitlichen standardisierten Lade-Infrastruktur bei neu zu errichtenden Ladepunkten.[84] Dazu wurde eine Ladebuchse Typ 2 nach DIN EN 62196-2 bzw. Ladekupplung Typ Combo 2 DIN EN 62196-3 zum verpflichtenden Standard an öffentlichen Ladepunkten erhoben. Andere Steckerstandards sind bei Neuerrichtungen nur noch zusätzlich – aber nicht mehr eigenständig – zulässig.

Am 29. März 2017 wurde eine Verordnung zur Änderung der Ladesäulenverordnung erlassen.[85] Darin wird unter anderem geregelt, dass Betreiber von Ladepunkten jedem Nutzer von Elektromobilen das punktuelle Laden ohne vorherige Authentifizierung ermöglichen müssen. Dies kann durch kostenlose Abgabe der Energie oder gegen Zahlung erfolgen

• mittels Bargeld in unmittelbarer Nähe zum Ladepunkt oder
• mittels eines gängigen kartenbasierten Zahlungssystems bzw. Zahlungsverfahrens oder
• mittels eines gängigen webbasierten Systems.

Mit der Neuregelung soll eine ungehinderte betreiber-, kommunen- und länderübergreifende Nutzung von Elektromobilen ermöglicht werden. Diese wurde durch teilweise je nach Betreiber des Ladepunktes bzw. nach einzelnen Kommunen differierende Freischaltungen zum Beispiel mittels unterschiedlicher RFID-Karten erschwert bzw. ausgeschlossen.

evpass ist mit rund 3000 Ladestationen der größte Anbieter von Ladestationen in der Schweiz.[86][87][88] Im Februar 2023 wurde evpass von dem Mineralölkonzern Shell übernommen.

In Europa gibt es (Stand Juli 2018) mehr als 29.000 öffentlich zugängliche Ladestationen mit mehr als 87.000 Ladepunkten. Mehr als die Hälfte (55 Prozent, etwa 50.000) sind Typ-2-Ladepunkte (11 kW: 11.000, 22 kW: 28.000, 43 kW: 3.000). Für Chademo gibt es 5.000 Ladepunkte, für CCS 4.800 Ladepunkte, für Tesla Supercharger 3.100 Ladepunkte.[89]

Die Europäische Union fördert mit etwa 3,6 Millionen Euro aus dem Verkehrsförderprogramm Transeuropäische Netze (TEN-T) den Aufbau von Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge entlang der wichtigsten Autobahnen.[90][91][92] Es wird als ein offen zugängliches Netz von Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge errichtet. Die Gesamtkosten betragen etwa 7,1 Millionen.[93]

Mehrere Betreiber installieren Ladestation-Netzwerke in Europa mit bis zu 350 kW Ladeleistung entlang der wichtigen Hauptverkehrsstrecken. Eine derartige Ladeleistung ermöglicht das Aufladen von 500 km Reichweite in etwa 10 bis 20 Minuten (s. Ultra-Schnellladesäulen).

Mit MEGA-E begann die EU ab dem Jahr 2018 den Aufbau von 322 Ladestationen in mindestens zehn europäischen Metropolen mit 29 Millionen Euro zu fördern. Ford, BMW, Daimler, und der Volkswagen-Konzern gründeten ein Joint Venture namens Ionity, das im Jahr 2018 mit dem Aufbau eines europaweiten Netzes von Ladestationen begann, im September 2019 beteiligte sich daran auch die Hyundai Motor Group.

Das Unternehmen Tesla, Inc. betreibt mit den Superchargern ein eigenes Schnellladenetzwerk. Anfangs war es nur von Tesla-Fahrzeugen nutzbar und nutze den Typ-2-Stecker. Seit 2019 werden die Ladestationen in Europa auf den CCS-Stecker umgestellt. 2021 startete die Öffnung einzelner Standorte für Fremdmarken.

Im Jahr 2020 verfügte China über ein großflächiges Netz an Ladestationen und galt als Leitmarkt von Elektromobilverkäufen.[94]

Durch Electrify America wurden bis 2020 tausende Ladesäulen in den USA aufgestellt.[94]

Die Bezahlung für den Ladevorgang ist je nach Ladestation bzw. Betreiber verschieden. Für viele Ladestationen wird ein Kundenkonto und eine zugehörige Ladekarte oder App benötigt.[95] Teilweise ist auch eine Bezahlung per Girocard, Kreditkarte oder Mobile Payment möglich. In Europa bieten seit 2021 einige Betreiber von Ladestationen auch Plug & Charge (ISO 15118) an. Die Bezahlung und Autorisierung des Ladevorgangs erfolgt dann mit im Fahrzeug hinterlegten Zahlungsdaten automatisch.

An einigen Ladestationen kann kostenlos geladen werden, z. B. auf Parkplätzen von Geschäften während des Einkaufs.[96]

Ladestation-Verzeichnisse helfen beim Auffinden von Ladestationen während der Fahrt bzw. bei der Routenplanung. Ladestation-Verzeichnisse sind online zugänglich und enthalten Informationen über die Ladeleistung, die Anzahl Ladepunkte und deren Status (frei, belegt, gestört bzw. außer Betrieb) sind meist über entsprechende Apps der Betreiber abrufbar. Teilweise können Störungen mittels Mobiler App gemeldet werden. Aktuelle Daten aus den Ladestation-Verzeichnissen in die Navigationssysteme der Elektroautos eingespielt werden.

Ladestationenbetreiber benötigen für eine länderübergreifende Verrechnung ähnlich dem Mobilfunk-Roaming-System für ihre Ladestation eine eindeutige ID. Dies erfolgt mittels Ladepunkt-Identifikation (EVSEID en:Electric Vehicle Supply Equipment ID). Die EVSEID-Kennung besteht aus dem Länderkürzel (DE), der EVSE-Operator-ID (3 Stellen), der ID-Type (E) und der Power-Outlet-ID (bis zu 30 Stellen).[97]

Seit dem 1. März 2014 vergibt der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) auf Anfrage gegen eine Gebühr einheitliche Identifikationsnummern für Betreiber von für die Öffentlichkeit vorgesehenen Ladesäulen in Deutschland, wodurch der Aufbau eines Roamingsystems auf dem Gebiet der Elektromobilität ermöglicht wird.[98][99]

In DIN VDE 0100-722 VDE 0100-722:2016-10 – Errichten von NiederspannungsanlagenVDE 0100-722 (Stromversorgung für Elektrofahrzeuge), Normenreihe IEC 63110, Teil 7-722: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Stromversorgung von Elektrofahrzeugen.[104] In Österreich wurde z. B. die OVE EN 50620 (Ladeleitung für Elektrofahrzeuge), ÖVE/ÖNORM E 8001-4-722 (Stromversorgung für Elektrofahrzeuge), die ÖVE/ÖNORM EN 61851 (Elektrische Ausrüstung von Elektro-Straßenfahrzeugen – Konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge) und die ÖVE/ÖNORM EN 62196-3 (Stecker, Steckdosen und Fahrzeugsteckvorrichtungen) eingeführt bzw. angepasst bzw. erweitert.

Ladestationen für Elektrofahrzeuge müssen, wie alle elektrischen Anlagen, einer Erstprüfung bei Errichtung bzw. Inbetriebnahme der Anlage und regelmäßigen Wiederholungsprüfungen unterzogen werden und es ist dies zu dokumentieren. Aufgrund einiger Besonderheiten von Ladestationen für Elektrofahrzeuge, z. B. eigene Normen für Ladestationen, besondere Herstellervorgaben, geringe Schleifenimpedanz, höherer Spannungsabfall bei längeren Zuleitungen zum Fahrzeug, spezielle Steckverbindungen, sind für die Prüfungen an den Prüfer und die Messgeräte höhere Anforderungen gegeben.

Die Prüfung muss die Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen und die Einhaltung der technischen Normen sowie besondere Herstellervorgaben für einen sicheren und bestimmungsgemäßen Betrieb erfüllen und dokumentieren.

Das Open Charge Point Protocol (deutsch: Freier Ladepunkt-Kommunikationsstandard) ist ein universelles Anwendungsprotokoll, das die Kommunikation zwischen Ladestationen für Elektroautos und einem zentralen Managementsystem standardisiert.[105]