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Eine Schnellladesäule versorgt Elektroautos in Minuten mit Strom für hunderte Kilometer. Wie arbeitet so eine Ladesäule – was steckt in ihr drin? Wir schauen unter das Gehäuse.
DC-Laden: Wechselstrom wird zu Gleichstrom
Schnell laden und dann schnell weiterfahren – aber haben Sie sich mal gefragt, wie Elektroautos in kurzer Zeit so viel Strom aufnehmen? Die Antwort verbirgt sich unter dem Gehäuse der Ladestation.
Das Schnellladen unterscheidet sich vom Normalladen an einer Wallbox zu Hause vor allem in einem Punkt: Wechselstrom (AC) wird außerhalb des Fahrzeugs in Gleichstrom (DC) umgewandelt und zum Speichern in die Batterie geladen. Beim Laden an der heimischen Wallbox geschieht diese Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom im Fahrzeug selbst.
Akkus benötigen Gleichstrom zum Aufladen
Doch wie unterscheiden sich die beiden Stromarten? In den Kabeln unter der Straße und in Wohnhäusern fließt Wechselstrom. Wechselstrom ist ein elektrischer Strom, dessen Richtung sich regelmäßig ändert. Er wird durch eine Wechselspannung erzeugt, die regelmäßig ihre elektrische Polarität wechselt. Im deutschen Netz geschieht dieser Richtungs- bzw. Spannungswechsel 50 mal pro Sekunde. Man spricht deshalb von einer Frequenz von 50 Hertz (Hz). Bei Gleichspannung ändert sich die Polarität und damit die Stromrichtung nicht, sie bleibt konstant.
Küchengeräte nutzen den Wechselstrom direkt aus der Steckdose. Batterien jedoch benötigen Gleichstrom. Deshalb haben Ladekabel von batteriebetriebenen Geräten wie Smartphones und Laptops ein Netzteil, das Wechsel- in Gleichstrom umwandelt. Im Falle von Elektroautos ist das Netzteil etwas größer: die Ladesäule. Logisch, denn durch eine Ladesäule fließt natürlich viel mehr Energie als beispielsweise beim Aufladen eines Handys.
Schaubild: Was in der Ladesäule drinsteckt
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Der Stromanschluss (1) bringt Wechselstrom in die Ladesäule. Ein Netzfilter (2) beseitigt störende Frequenzen, bevor Gleichrichter (3) von Wechsel- zu Gleichstrom wandeln. Über Stromschienen (4) fließt der Gleichstrom in die Ladekabel (5). Dabei entstehende Wärme wird häufig über Kühlflüssigkeit abgeführt und in einem Wärmetauscher (6) an die Luft abgegeben. Lüfter (7) transportieren die warme Abluft (8) nach draußen.
Gleichrichter brauchen viel Platz in der Ladesäule
Die Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom erledigen sogenannte Gleichrichter. Laden zeitgleich zwei Fahrzeuge an der 400-Kilowatt-Säule, teilen sie sich die Gleichrichter und damit die maximale Leistung. Die Zuteilung erfolgt oft dynamisch: „Die Ladesäule kommuniziert mit den Autos“, erläutert Marcus Bücken von Siemens Smart Infrastructure. „Jedes Auto fordert seine individuelle Spannung an und daraus ergibt sich die Ladeleistung.“
Bevor der Strom von den Gleichrichtern ins Fahrzeug fließt, durchläuft er einen Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt. Dieser regelt die Gleichspannung genau auf das Spannungsniveau, das vom Fahrzeug angefordert wird. Je höher die Bordspannung des Fahrzeuges ist, desto schneller kann es laden. Von Stromschienen aus wird dann der Strom zum Ladekabel geleitet.
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Eine Ladesäule von innen. Siemens produziert sie unter anderem in Leipzig. Foto: Siemens AG, 2024
Lüfter und Flüssigkeit führen die Wärme ab
Fließt sehr schnell viel Strom, entsteht durch die Bewegung der Teilchen Wärme. Deshalb sind innerhalb der Ladesäule Lüfter notwendig, um die Wärme nach außen abzuführen – ähnlich wie bei Computern, die sich bei hoher Leistung erwärmen und die Wärme ebenfalls über Lüfter abführen.
Warum sind manche Ladesäulen sehr schmal und lüften gar nicht? Bei diesen Modellen sind die Gleichrichter und weitere Leistungselektronik in separaten Kästen untergebracht. So wird auf dem Parkplatz etwas Platz gespart.
Wärme ist auch bei den Ladekabeln und Steckersystemen eine Herausforderung. Werden sie durch schnelles Laden zu warm, reduziert die Ladesäule automatisch die abgegebene Leistung. Deshalb fließt in vielen Kabeln Kühlflüssigkeit: Sie transportiert die Wärme zu einem Wärmetauscher in der Säule, wo sie an die Luft abgegeben wird.
Viele Mechanismen schützen vor Hitze oder Stromschlag
Überhitzen kann die Ladesäule nicht. Sensoren messen die Temperatur – und würden sie im Notfall abschalten. Deshalb müssen sich Nutzende auch keine Sorgen um eine Brandgefahr machen, sagt Marcus Bücken von Siemens: „Es sind viele Sicherheitsmechanismen eingebaut, die vor Überströmen, Überspannung, Blitzschlag und Übertemperatur schützen.“ Das Gehäuse der Ladesäule sei geerdet, wodurch auch ein Stromschlag nicht möglich ist. „Es liegt nur dann Spannung an den Kontakten an, wenn der Stecker im Fahrzeug steckt, dieser mechanisch verriegelt ist und das Fahrzeug dies auch bestätigt hat“, erläutert Bücken.
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