Elektrofahrzeuge drängen zunehmend auf den Markt und werden dabei auch immer alltagstauglicher. Ein oft vernachlässigter Faktor beim Laden sind die Ladeverluste, die bei jedem Ladevorgang anfallen, technisch dabei jedoch unvermeidbar sind.

Um das Thema näher zu beleuchten hat der Mobilitätsclub die Ladeeigenschaften von vier gebräuchlichen Modellen unterschiedlicher Hersteller – Tesla Model 3, Peugeot e-2008, VW ID.3 und Hyundai Ioniq 5 – untersucht. Ziel dieser Untersuchung war es aufzuzeigen, wann und wo Ladeverluste entstehen, in welcher Größenordnung sie auftreten und wie sie sich bei den getesteten Fahrzeugen und den jeweils unterschiedlichen Ladetechnologien unterscheiden.

Markus Kaiser, E-Mobilitätsexperte beim ÖAMTC: „Die Elektromobilität hat in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht. So werden die Ladetechnologien immer besser, die Energiedichten der Akkuzellen steigen und damit nehmen auch die Reichweiten zu – und bei der Energieeffizienz im Fahrbetrieb kann dem Elektromotor ohnehin keine andere Antriebsart etwas vormachen. Steigende Energiepreise und der möglichst effiziente Umgang mit vorhandenen Ressourcen hat uns jedoch dazu bewogen, die Ladeeigenschaften von Elektrofahrzeugen zu untersuchen und die anfallenden Ladeverluste genauer zu betrachten. Vielen E-Autofahrer:innen ist nämlich gar nicht bewusst, dass nicht der gesamte Strom, den sie laden – und bezahlen – tatsächlich in der Antriebsbatterie ankommt.“
Von den vier getesteten Fahrzeugen im Bereich der Wechselstrom- (AC) und Gleichstromladung (DC) zeigten sich in Bezug auf die in den Fahrzeugen verbauten Ladetechnologien teilweise deutliche Unterschiede. Getestet wurden die Fahrzeuge unter jeweils möglichst ähnlichen Bedingungen, wie einer Umgebungstemperatur angepasst an die optimale Batterietemperatur von rd. 22°C. Zudem wurden die Fahrzeuge für einen fairen und korrekten Vergleich an jeweils demselben AC- als auch DC- Ladepunkt gemessen. Die Ladung wurde bei sowohl AC als auch DC bei jedem Fahrzeug von 1 % bis 100 % Ladezustand durchgeführt, was einem Vollzyklus bezogen auf die nutzbare Batterie-Nettokapazität entspricht.

Ladeverluste – Wie kommt es dazu?
Die Ladeverluste selbst fallen an unterschiedlichen Stellen in der Kette zwischen Ladestation, Ladekabel und Fahrzeug an. Die Verluste, die im Ladekabel zwischen Ladestation und Fahrzeug bzw. in den Hochvoltleitungen im Fahrzeug von Ladeanschluss bis zur Batterie entstehen, sind verhältnismäßig gering und belaufen sich auf max. um die 1 %. Ebenso sind die Verluste direkt in der Batterie, bei der Speicherung der elektrischen Energie in die Akkumulatoren, ebenso mit 1-2 % vernachlässigbar gering. Unabhängig von der Ladung (AC oder DC) fällt der größte Teil der Verluste stets bei der Umwandlung von netzseitigen Wechselstrom in batterieseitigen Gleichstrom an.
Bei der Gleichstromladung erfolgt die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom direkt in der Ladestation, weswegen der größte Teil der Verluste für die E-Autofahrer:innen nicht direkt sichtbar ist. Das ist u.a. mit ein Grund, warum die Ladepreise an DC-Ladestationen im öffentlichen Bereich generell zumeist höher sind, als die Ladepreise an AC-Ladestationen. Betreiber von DC-Ladestationen geben so die auf ihrer Seite entstehenden Umwandlungsverluste durch einen höheren Ladepreis letztendlich wieder an die Endkund:innen weiter. Bei der Ladung an Wechselstrom an einer privaten Wallbox bzw. einer AC-Ladesäule im öffentlichen Bereich erfolgt die notwendige Umwandlung in batterieseitigen Gleichstrom erst im Fahrzeug, im sogenannten On-Board Charger (OBC).
Diese Wandlungsverluste im OBC belaufen sich je nach Qualität und Effizienz des fahrzeugeigenen Ladegerätes auf rd. 7-9 %. On-Board Charger die heutzutage in modernen Elektrofahrzeugen verbaut werden haben einen Wirkungsgrad von bis zu 94 %. Höhere Wirkungsgrade könnten im Bereich der Gleichrichtung zwar mittlerweile erzielt werden, gehen jedoch mit einem größeren Bauraum, zumeist einem höheren Gewicht und vor allem mit einem höheren Preis aufgrund teurerer Komponenten einher.
Wird nun die gesamte Verlustkette von Leitungsverlusten in den Kabeln, über die Verluste bei der Umwandlung in Gleichstrom und den Ladeverlusten, die direkt in der Fahrzeug-Antriebsbatterie entstehen berücksichtigt, fallen unterm Strich Ladeverluste bei der Ladung an Wechselstrom von um die 10 % an. Bei der Ladung an Gleichstrom entsteht der überwiegende Anteil der Verluste direkt im Gleichrichter in der Ladestation, weswegen die Ladeverluste auf Seiten der E-Autofahrer:innen vergleichsweise gering ausfallen. Werden die Umwandlungsverluste in der DC-Ladestation jedoch auch berücksichtigt, fallen die Gesamtverluste zwar geringer aus, liegen aber in Summe in einem ähnlichen Bereich wie bei der Ladung an Wechselstrom.

Ergebnisse

AC-Ladeverlusttests

Die AC-Ladetests zeigten deutliche Effizienzunterschiede bei den in den Testfahrzeugen verbauten On-Board Chargern. Mit Abstand am besten hat hier das Tesla Model 3, vor dem VW ID.3, dem Hyundai Ioniq 5 und dem Peugeot e-2008 abgeschnitten. Beim Model 3 und dem für die AC-Ladung wirklich sehr effizienten OBC waren es Ladeverluste von nur 6,69 %.
Bei den übrigen drei Testfahrzeugen fielen die Ladeverluste bei der AC-Ladung deutlich höher aus, was die immensen Effizienzunterschiede in der Gleichrichtung des Strom im Fahrzeug verdeutlichte. Der VW ID.3 verbuchte beim Ladetest Verluste von 8,25 %. Obwohl der Hyundai Ioniq 5 bei der DC-Ladung, aufgrund seiner im Vergleich zu den anderen Testfahrzeugen moderneren Ladetechnologie, wirklich sehr gut abgeschnitten hatte, fielen die Ladeverluste bei der AC-Ladung mit 8,79 % deutlich schlechter aus. Mit einem nachgemessenen Ladeverlust von 9,92 % zwischen Ladestation und Fahrzeug-Antriebsbatterie schnitt der Peugeot e-2008 bei der AC-Ladung im Vergleich zu den anderen Testfahrzeugen am schlechtesten ab.

Zur Bestimmung der DC-Ladeverluste wurden bei allen vier Testfahrzeugen einerseits nur die Verluste im Fahrzeug, andererseits auch die Gesamtverluste betrachtet, die sowohl im Fahrzeug als auch in der Ladestation bei der Umwandlung des Stroms entstehen. Als Effizienz-Sieger ging der Hyundai Ioniq 5 mit seiner modernen 800 V-Technologie knapp vor dem Tesla Model 3 hervor. Beide Fahrzeuge verursachten Gesamtladeverluste von unter 0,5 % fahrzeugseitig bzw. jeweils rd. 6 % inkl. der Umwandlungsverluste in der Ladestation.

Mit Ladeverlusten von 2,55 % allein im Fahrzeug bzw. rd. 8 % inkl. der Verluste in der DC-Schnelladestation fielen die Ladeverluste beim VW ID.3 im Vergleich zum Hyundai bzw. zum Tesla höher aus. Ähnliches Bild wie bei der AC-Ladung zeigte sich bim Peugeot e-2008 auch bei der DC-Ladung. Mit Ladeverlusten von über 3,5 % allein im Fahrzeug bzw. über 9 % inkl. der Umwandlungsverluste in der Ladestation schnitt der Peugeot e-2008 auch bei der DC-Ladung im am schlechtesten ab.

Markus Kaiser, E-Mobilitätsexperte beim ÖAMTC:
„Wie die Untersuchung gezeigt hat, geht es auch bei den effizientesten Fahrzeugen nie ganz ohne Verluste. Jedoch ist die Bandbreite der Ladeverluste unter den Testfahrzeugen ungewöhnlich hoch gewesen. Gerade in Zeiten steigender Preise und verstärkter Anstrengungen, Energie zu sparen, ist es notwendig, diese Verluste so weit wie technisch möglich einzudämmen.
Vor allem in der Umwandlung des netzseitigen Wechselstroms in batterieseitigen Gleichstrom steckt noch viel Verbesserungspotential. Die Fahrzeug- und Ladestationshersteller sind daher aufgefordert, die Effizienz bei ihren Komponenten weiter zu erhöhen. Das wäre im Sinne der optimalen Ressourcen-Nutzung, nicht zuletzt aber auch für die Geldbörse der E-Auto-Fahrer:innen positiv.“

Testfahrzeuge und Ladeinfrastruktur

Anforderungen an die Testfahrzeuge
– AC On-Board Charger: 3-phasig, 11 kW
– DC max. Ladeleistung: ≥ 75 kW
– Ladestandard: AC – Typ 2, DC – CCS

Getestete Fahrzeuge
– VW ID.3 (58 kWh)
– Peugeot e-2008 (50 kWh)
– Hyundai Ioniq 5 (72,6 kWh)
– Tesla Model 3 (53 kWh)

AC-Ladeinfrastruktur
– Alfen Eve Double Pro Line 22 kW
– Maximale Abgabeleistung 11 kW
– Stets gleiches Typ 2 Ladekabel (3 phasig, 16 A, 5 m)
– Von 1 % bis 100 % (voller Ladezyklus)

DC-Ladeinfrastruktur
– Alpitronic Hypercharger HYC 300
– Maximale Abgabeleistung 75 kW
– Stets gleicher DC-Ladepunkt
– Von 1 % bis 100 % (voller Ladezyklus)

Ladekurven der durchgeführten Ladeverlusttests

Hyundai Ioniq 5
Der Hyundai Ioniq 5 hat an Wechselstrom die versprochenen 11 kW als einer der wenigen Kandidaten im Testfeld direkt nach Beginn der Ladung erreicht und konnte diese auch bis auf 2 kürzere Leistungseinbrüche bis zum Ende des Ladevorgangs halten. Den ersten Leistungseinbruch gab es bei rd. 50 % Ladezustand. In diesem Zeitpunkt erreichte die Batterietemperatur mit 36 °C ihren Höchstwert, weswegen das BMS umgehend die Leistung auf rd. 9 kW reduzierte und die Batteriekühlung aktiviert hat. Nachdem die Batterie von 36 °C auf 31 °C abgekühlt wurde stieg auch die Ladeleistung wieder auf 11 kW an. Bei genau 80 % gab es dann einen erneuten, dieses Mal sogar noch stärkeren Leitungseinbruch auf rd. 6,5 kW.
Die Ladung an Gleichstrom zeigte beim Hyundai Ioniq 5, dass die maximale Ladeleistung von 75 kW direkt nach dem Start erreicht und bis zu einem Ladezustand von rd. 80 % relativ konstant gehalten werden konnte. Die Batterietemperatur stieg in dieser Zeit von 26 °C am Start auf 41 °C in der Spitze an. Diese 41 °C erreichte die Batterie bei dem Ladezustand von rd. 80 %. Anschließend wurde die Ladeleistung durch das BMS drastisch auf 5 kW reduziert. Nachdem das BMS eine Temperaturreduktion in der Batterie erkannt hat, wurde die Ladeleistung nochmals kurz auf rd. 55 kW erhöht, ehe sie jedoch anschließend wieder stetig zum Ende der Ladung hin reduziert wurde.

Peugeot e-2008
Der Ladetests des Peugeot e-2008 an Wechselstrom zeigte, obwohl das Testfahrzeug einen 11 kW On-Board Charger verbaut hatte und die Ladestation auch 11 kW liefern konnte, dass die Ladeleistung über der Dauer des Ladevorgangs auf lediglich maximal rd. 9,5 kW angestiegen ist. Diese rd. 9,5 kW wurden recht zügig erreicht und bis auf einen temperaturbedingten kürzeren Abfall der Leistung auf rd. 7,5 kW bei rd. 90 % Ladezustand auch bis zum Ende der Ladung relativ konstant gehalten. Die Batterietemperatur startete bei 23 °C und stieg treppenförmig um jeweils 1 °C-Schritte bis auf kurzzeitig maximal rd. 30 °C an. Bei Erreichung der 30 °C wurde dann die Ladeleistung durch das BMS im Fahrzeug kurzzeitig auf die rd. 7,5 kW reduziert. Durch die Leistungsreduktion begann die Batterie sich abzukühlen und erreichte 27 °C am Ende der Ladung bei 100 % Ladezustand.
Der Ladeversuch mit dem Peugeot e-2008 an Gleichstrom zeigte gegenüber den andren Testfahrzeugen ein recht eigenes Verhalten. Anders als bei den anderen Testkandidaten dauerte es beim Peugeot nämlich mehrere Minuten, bis die Ladung überhaupt startete. Das ist bei einer Abrechnung nach kWh kein größeres Problem, bei einer Abrechnung nach Zeit jedoch für den Endkunden weniger erfreulich, da der Ladevorgang ab dem Zeitpunkt des Logins bereits zu bezahlen ist. Die Ladeleistung von 75 kW in der Spitze erreichte das Fahrzeug dann jedoch rasch und konnte diese bis zu einem Ladezustand von rd. 60 % auch sehr gut halten. In dem Moment als die rd. 60 % Ladezustand erreicht wurden, erreichte die Batterietemperatur mit 38 °C auch ihren Höchstwert, wodurch das BMS umgehend mit der Reduktion der Ladeleistung begonnen hat. Die 38 °C hielten sich in der Folge noch rd. 15 Minuten. Die Ladeleistung wurde bis zu diesem Zeitpunkt auf 50 kW reduziert. Bei 90 % Ladezustand hat das BMS die Ladeleistung dann sogar nochmals auf 25 kW halbiert, wodurch die Temperatur in der Batterie dann auch allmählich wieder abgefallen ist. Am Ende des Ladevorgangs bei 100 % Ladezustand lag die Temperatur der Batterie bei rd. 31 °C.

Tesla Model 3
Beim Ladetest des Tesla Model 3 an Wechselstrom konnten die versprochenen 11 kW direkt nach Beginn der Ladung aufgebaut und bis auf einen kurzen Leistungsabfall bei 55 % Ladezustand auch bis zum Ende der Ladung konstant gehalten werden. Eine direkte Temperaturmessung der Akkuzellen bzw. der Batteriemodule war beim Tesla als einzigen unter den Testfahrzeugen nicht möglich. Die Temperaturmessung für den Ladeverlusttest erfolgte über Kühlmitteltemperatur der Antriebsbatterie, weswegen hinsichtlich des Temperaturverlaufs während der Ladung kein direkter Vergleich mit den anderen Testfahrzeugen gezogen werden konnte. Die Temperatur des Kühlmittels lag anfangs bei 44 °C, zwischenzeitlich bei 43 °C und am Ende der Ladung letztendlich bei 47 °C.
Bei der Ladung des Tesla an Gleichstrom erreichte das Model 3 die möglichen 75 kW nicht direkt von Anfang an, sondern erhöhte ausgehend von rd. 65 kW innerhalb der ersten 20 Minuten langsam auf 75 kW. Diese seitens der Ladestation verfügbaren maximalen 75 kW konnten dann lediglich rd. 5 Minuten gehalten werden, ehe das BMS mit einer kontinuierlichen Leistungsreduktion begonnen und diese bis zum Ende des Ladevorgangs durchgezogen hat. Der Beginn der Leistungsreduktion erfolgte bei exakt 50 % Ladezustand. Die Batterietemperatur konnte – wie bei der AC-Messung – auch bei der DC-Messung nicht erhoben werden, da ausschließlich Temperaturwerte des Kühlmittels der Antriebsbatterie vorlagen. Die Kühlmitteltemperatur des Batteriesystems stieg während des Ladetests kurz auf 59 °C an, fiel aufgrund der deutlichen Leistungsreduktion jedoch gegen Ende der Ladung wieder auf rd. 56 °C ab.

VW ID.3
Das Ladeverhalten des VW ID.3 an Wechselstrom zeigte bei einem Ladezustand von rd. 15 % einen kurzzeitigen Abfall der maximal erreichten Ladeleistung von 10 kW auf 8,8 kW. Die Ladeleistung stieg anschließend direkt wieder an und hielt sich auf rd. 10 kW bis zum Ende des Ladevorgangs. Die Batterietemperatur startete bei rd. 25 °C und stieg während der Dauer des Ladevorgangs nahezu kontinuierlich auf 32 °C bei 100 % Ladezustand an.
Der VW ID.3 hat an Gleichstrom umgehend die maximale Ladeleistung seitens der Ladstation mit 75 kW erreicht. Diese 75 kW wurden bis zu einem Ladezustand von rd. 50 % relativ konstant gehalten. Die Batterietemperatur stieg bis dahin von 21 °C beim Start auf rd. 41 °C an. Anschließend wurde die Ladeleistung durch das BMS im Fahrzeug runter geregelt. Zunächst auf rd. 45 kW bei 70 % Ladezustand. Ab 80 % Ladezustand wurde die Ladeleistung dann schrittweise weiter reduziert. Die Batterietemperatur stieg nach der Leistungsreduktion bei rd. 50 % noch für einen kurzen Zeitraum weiter an, erreichte in der Spitze eine Temperatur von rd. 42 °C und sank anschließend sukzessive ab. Am Ende der Ladung bei 100 % Ladezustand lag die Batterietemperatur bei rd. 32 °C.