Dass aus unseren Steckdosen Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz kommt und andererseits eine Taschenlampe mit Gleichstrom betrieben wird, kann als allgemein bekannt gelten. Für viele Anwendungen ist ein Übergang oder eine Umwandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom kein Thema. Ein Elektroauto hat aber eine aufladbare Batterie, die nur Gleichstrom speichern kann. Dieser kommt oft aus einer Quelle für Wechselstrom, nämlich dem konventionellen Stromnetz. Grund genug, uns mit den Unterschieden und den für E-Autos wichtigen Punkten zu befassen.
Was ist Gleichstrom und Wechselstrom?
Der Unterschied kommt mit den englischen Bezeichnungen DC und AC besser zum Ausdruck. Diese Abkürzungen stehen für direct current und alternating current.
Der Gleichstom oder DC ist ein Stromfluss, der sich der Richtung und Stärke nach mit der Zeit nicht ändert und also konstant bleibt, vorausgesetzt natürlich, dass der Einschaltvorgang abgeschlossen ist. Ein Gleichstrom entsteht zum Beispiel in einer Batterie, gleich ob sie aufladbar ist oder nicht. Chemische Reaktionen erzeugen unterschiedliche Konzentrationen von Elektronen, also elektrisch geladenen Teilchen. Durch solche Potentialunterschiede entsteht elektrische Spannung und diese wiederum erzeugt elektrischen Strom.
Im Gegensatz dazu ändert Wechselstrom oder AC sich ständig und oszilliert zwischen zwei Maxima von Strömen in zwei verschiedene Richtungen. Warum gibt es aber überhaupt Wechselstrom? Das hat mit der Erzeugung von elektrischem Strom zu tun. Chemische Reaktionen wie diejenigen in einer Batterie waren lange die besten verfügbaren Stromquellen. Sie reichen aber für Anwendungen mit höherem Strombedarf nicht aus.
Die Erzeugung von stärkeren Strömen erfolgt oft mit elektrischen Leitern, die durch mechanische Energie in einem Magnetfeld bewegt werden. Praktisch sind das Generatoren, die aus großen Spulen von Draht bestehen. Bewegen sich diese im Magnetfeld, werden Ströme in diesen Spulen erzeugt. Die Stärke und Richtung dieser Ströme hängen von der Position der drehbaren Spule ab und deshalb ändert sich mit der Drehung die Stärke und Richtung des Stroms ständig.
Der Ladevorgang von E-Autos
Eine aufladbare Batterie kann nur Gleichstrom zur Aufladung verwenden. Wechselstrom aus dem Stromnetz kann also erst nach einer Umwandlung in Gleichstrom für diese Aufladung verwendet werden. Für die Umwandlung ist ein sogenannter Gleichrichter erforderlich. Praktisch ergeben sich zwei Möglichkeiten. Dieser Gleichrichter kann sich im Auto oder in der Ladestation befinden.
- Gleichrichter im E-Auto. Über diese Lademöglichkeit verfügen alle heute gebräuchlichen E-Autos. Das ist auch nachvollziehbar, denn Wechselstrom ist für den Ladevorgang viel einfacher verfügbar als Gleichstrom selbst. Soll ein E-Auto beispielsweise aus einer normalen Steckdose im Haushalt geladen werden können, ist ein Gleichrichter nötig. Nachdem ein solcher aber wenig sonstige Verwendung findet, ist er in den meisten Haushalten und auch in Firmen nicht verfügbar. Deshalb muss er im elektrisch betriebenen Fahrzeug eingebaut sein.
Was sind nun die technischen Randbedingungen für diesen Gleichrichter? Seine Leistung ist proportional zu den Kosten, dem Gewicht und den Abmessungen des Geräts. Nachdem dieser Gleichrichter im Auto immer mitgeführt werden muss, spielen auch bei teuren Automodellen mindestens das Gewicht und die Maße eine Rolle. Aus diesen Gründen wird in E-Autos nur ein Gleichrichter von nicht sehr hoher Kapazität verbaut.
- Eine Alternative ist ein Gleichrichter in der Ladestation. Diese Station wird damit teuer, weil eben ein zusätzliches Bauelement zusammen mit der erforderlichen Leistungselektronik eingebaut werden muss. Diese Kosten verteilen sich aber besser, weil die Ladestation intensiv genutzt werden kann. Der Gleichrichter im E-Auto kann hingegen gar nicht öfter benutzt werden als bei einem Halt des Fahrzeugs. Maße und Gewicht spielen beim Einbau in eine Ladestation dagegen kaum eine Rolle und deshalb lassen sich mit einer Ladestation mit Gleichrichter viel höhere Ladekapazitäten realisieren.
Praktische Konsequenzen der Ladetechnik mit AC und DC
Die Ladegeschwindigkeit hängt von dem Bauteil ab, das am Vorgang des Ladens beteiligt ist und die geringste Kapazität besitzt. Dieses Bauteil können Sie sich als Flaschenhals vorstellen, der die durchgeleitete elektrische Leistung begrenzt. Diese beteiligten Bauteile sind die Ladestation, das Kabel und der Gleichrichter, gleich ob sich dieser im Fahrzeug oder in der Ladestation befindet.
Was sollten Sie bei der Wahl der Ladestation also unbedingt beachten? Die Kosten steigen mit der Leistung der Ladestation. Diese Leistung kann aber nur in dem Ausmaß abgerufen werden, in dem auch Ihr Fahrzeug über eine entsprechende Ladekapazität verfügt. Laden Sie Ihr E-Auto also an einer sehr leistungsfähigen Ladestation auf, kann der Ladevorgang trotzdem nur so schnell ablaufen, wie die Technik Ihres Fahrzeugs das zulässt.
Die Kosten können also in die Höhe schnellen, ohne dass sich der Ladevorgang beschleunigt.
Wie sieht es mit dem Laden von Gleichstrom aus? Man möchte meinen, dass sich jedes E-Auto so laden ließe, denn seine Batterie speichert ja schließlich Gleichstrom. Das trifft aber nicht zu und hat einfach praktische Gründe. Nachdem Sie jedes Fahrzeug auch an den am einfachsten verfügbaren Haushaltssteckdosen aufladen möchten, ist diese Lademöglichkeit auf jeden Fall gegeben. Ladestationen mit Gleichstrom als Option sind aber viel seltener, erfordern aber technische Anpassungen für ihre Verwendung. Der Gleichrichter im Auto muss überbrückt werden und diese Möglichkeit existiert nicht in jedem E-Auto.
Fazit
Die Batterie eines E-Autos kann nur Gleichstrom speichern, Wechselstrom ist aber viel einfacher zu erzeugen und steht über das Stromnetz praktisch überall zur Verfügung. Die notwendige Umwandlung kann immer mit dem im Auto eingebauten Gleichrichter erfolgen. Wenn Ihr Auto über die technischen Voraussetzungen verfügt, können Sie auch direkt Gleichstrom laden. Dieser Ladevorgang ist üblicherweise um Einiges schneller als mit Wechselstrom.