Noch dauert es Stunden, bis die Fahrbatterie in einem Elektroauto wieder aufgeladen ist. Doch an Stromtankstellen muss es in Zukunft schneller gehen. Deshalb entwickeln Siemens-Forscher mit Hochdruck Ladegeräte, die das Stromzapfen einfach und minutenschnell machen sollen.
Test einer Flüssigbatterie im EDISON-Projekt.
In den Labors des Sektors Energy von Siemens in Erlangen und Fürth können schon mal die Funken fliegen: Wenn mehrere hundert Ampere Strom durch den Versuchsaufbau der Leistungselektronik aus großen Umrichtern, Kondensatoren und Transformatoren fließen, ist höchste Aufmerksamkeit geboten – nicht nur zum Schutz der Mitarbeiter, sondern auch für die zu testenden Komponenten.
„Wir entwickeln hier stationäre Ladegeräte zwischen 12 und 100 kW Leistung, die mit Gleichstrom die Fahrbatterien in Elektroautos laden“, berichtet Dr. Heike Barlag, Leiterin der Testserie. Ihr Ziel ist eine Ladesäule, die künftig etwa auf Autobahnraststätten oder Parkplätzen stehen soll, und von jedermann einfach und sicher bedient werden kann – sozusagen eine Tankstelle für Elektroautos. „Wir nutzen dazu Bauteile, die Siemens normalerweise für den industriellen Einsatz produziert, und passen sie für unsere Zwecke an“, erklärt sie.
Warum aber Gleichstrom, genügt da nicht eine herkömmliche Steckdose auf Wechselstrombasis wie im Haushalt?„Nein, die Ladezeiten wären viel zu lang“, sagt die Projektleiterin und belegt ihre Aussage mit einer Rechnung. So liefert eine Haushaltsteckdose mit 230 V Spannung und 16 A Strom eine Leistung von etwa 3,7 kW. Damit kann man eine 30 kWh starke Fahrbatterie in gut acht Stunden, also über Nacht aufladen. Mit diesem Energieinhalt kommt ein durchschnittliches Elektroauto bis zu 200 km weit – ausreichend für den Stadtverkehr, aber Langstreckenfahrer würden damit nicht glücklich. Sie müssen unterwegs innerhalb von Minuten ihre Batterie wieder aufladen können.
Fahrzeughersteller in aller Welt versuchen zwar bereits vermehrt, die Ladegeräte in Elektrofahrzeugen für immer höhere Ladeleistungen fit zu machen, beispielsweise mit Drehstromanschlüssen mit bis zu 63 A (44 kW). Damit könnte man die 30-kWh-Batterie in weniger als einer Dreiviertelstunde füllen.
„Das Laden mit Wechselstrom über Stecker ist prinzipiell alltagstauglich“, sagt Sven Holthusen, Siemens-Produktmanager für die Elektromobilitäts-Infrastruktur. Wenn die Automobilhersteller wie geplant Elektroautos bis 2014 in größeren Stückzahlen auf die Straße bringen, wäre das die Einstiegstechnologie für die Elektromobilität.
Tank unter Strom. Aber die Wechselstromtechnik hat auch nicht zu unterschätzende Nachteile: Die nötigen Umrichter werden mit zunehmender Leistung immer größer und schwerer. Das treibt den gesamten Energieverbrauch während der Fahrt und somit auch die Betriebskosten in die Höhe. Siemens verfolgt daher ein anderes Ziel. Statt im Auto den Wechselstrom auf batterietauglichen Gleichstrom umzurichten, soll das Fahrzeug direkt Gleichstrom „tanken“. Die schwere Umwandeltechnik für Wechselstrom in Gleichstrom soll stattdessen die Ladesäule übernehmen. Holthusen erklärt die Vorteile: „Dadurch lassen sich sehr hohe Ladeleistungen von mehreren hundert Kilowatt erreichen. So lässt sich dann ein Elektroauto ähnlich einem Verbrennungsfahrzeug in wenigen Minuten wieder aufladen.“
Allerdings belastet dies die Batterien stark. Denn je höher die Ladeleistungen sind, desto schneller bewegen sich die Elektronen und Ionen in den Batteriezellen. Die Verlustleistung in den Zellen wächst; sie erwärmen sich. Die steigenden Temperaturen wiederum stören die chemischen Prozesse in den Stromspeichern empfindlich. Deshalb werden heutige Standard-Batterien, die beispielsweise 30 kWh Energieinhalt haben, auch nur mit einer Laderate von 1/3 C geladen. Das bedeutet in diesem Fall: mit 10 kW, was die Ladezeit auf drei Stunden hochtreibt.
„Zusammen mit den Automobilherstellern überlegen wir uns deshalb, wie wir künftig Batterien schneller laden können“, sagt Holthusen. „Was wir brauchen sind Batterien, die für höhere Temperaturen ausgelegt sind, eine geringere Verlustleistung haben oder besser gekühlt werden.“ Aber eine solche Entwicklung braucht laut Holthusen noch Zeit. Bis es soweit ist, versuchen die Siemens-Forscher daher den Ladevorgang weiter zu optimieren, unter anderem im Rahmen eines dänischen Forschungsprojekts mit dem sperrigen Titel „Electric vehicles in a Distributed and Integrated market using Sustainable energy and Open Networks“, kurz EDISON (Pictures of the Future, Frühjahr 2010, Elektroautos).
Beteiligt sind daran neben Siemens auch die Dänische Technische Universität (DTU) Kopenhagen nebst ihrem Forschungszentrum Risø und den dänischen Energieversorgern Dong Energy und Østkraft sowie dem Forschungs- und Entwickungsunternehmen Eurisco und IBM. Ziel der Kooperation ist es, herauszufinden, wie die in Dänemark oft überschüssige Windenergie in den Batterien von Elektroautos zwischengespeichert und wieder ins Netz zurückgespeist werden kann. Siemens ist dabei unter anderem für das Thema Schnellladen zuständig.
Batterie-Manager. Die Experten um Heike Barlag und Sven Holthusen finden dazu im Forschungszentrum Risø ideale Testbedingungen vor: „Alle Komponenten können wir einzeln in einem kleinen geschlossenen Stromnetz testen“, schwärmt Barlag. Die erste Ladeeinheit, einen 10-kW-Charger, haben die Siemens-Entwickler bereits in den Versuchsaufbau integriert, zusammen mit Lithium-Ionen-Batterien und dem Batteriemanagement. Die Kommunikation zwischen der Batterie und dem Charger steuert ein Computerprogramm des Forschungslabors in Risø. Im Herbst 2010 wollen sie die Versuche mit einem 90-kW-Charger fortsetzen. Bei einer 30-kWh-Batterie entspräche das einer Laderate von 3 C, also einem Aufladen in 20 Minuten.
„Wir wollen herausfinden, mit welchen Ladealgorithmen wir Batterien in unterschiedlichsten Zuständen optimal laden können“, sagt Barlag. Denn wie schnell ein Akku ladbar ist, hängt neben einer möglichst hohen Ladeleistung auch vom Zustand der Batterie ab: Prinzipiell verträgt ein noch leerer Stromspeicher höhere Leistungen, als ein schon teilweise aufgeladener.
Aus diesem Grund testen die Forscher unterschiedlichste Ladetechniken. Zum Beispiel das so genannte Puls-Laden: Hier wird die Batterie mit hohen Strömen nur über eine kurze Zeit geladen, bevor die erwärmte Zelle abgekühlt wird, um kurz darauf erneut die volle Ladung anzulegen. „Ob wir tatsächlich mit Pulsladen Zeit sparen und eine höhere Leistung übertragen können, oder ob eine kontinuierliche Ladekurve besser ist, werden unsere Schnelllade-Tests in Risø zeigen. Erste Ergebnisse erwarten wir Ende des Jahres“, verrät Barlag. „Wir hoffen aber bis zu einer Laderate von 2 bis 3 C zu kommen.“