Die C-Rate: Wie Ladeleistung und Batteriegröße zusammenhängen
„Schnellladen“ ist kein genormter Begriff und wird daher von Autoherstellern unterschiedlich verwendet. Gleichzeitig gibt es die Tendenz zu immer größeren Batteriekapazitäten. Als Vergleichswert für den Zusammenhang zwischen Ladegeschwindigkeit und Batteriegröße bietet sich die sogenannte „C-Rate“ an
Das Schnellladen von Batterien ist eine der wichtigsten Funktionen moderner Elektroautos, ermöglicht sie doch, längerer Distanzen ohne stundenlange Ladevorgänge zurückzulegen. Gemeint ist meist das Laden an Gleichstrom-Ladesäulen. „Schnellladen“ ist allerdings kein geschützter oder genormter Begriff und wird daher von den Herstellern unterschiedlich verwendet. Gleichzeitig gibt es die Tendenz zu immer größeren Batteriekapazitäten. Als Vergleichswert für den Zusammenhang zwischen Ladegeschwindigkeit und Batteriegröße bietet sich die sogenannte „C-Rate“ an.
Die C-Rate (C für „Capacity“ = Kapazität) ist das Verhältnis aus dem Lade- oder Entladestrom einer elektrochemischen Zelle in Ampere (A) zur Kapazität der Zelle in Amperestunden (Ah). Da Kapazität und Energieinhalt sowie Strom und Ladeleistung jeweils über die Batteriespannung miteinander verknüpft sind, kann man die C-Rate auch für das Verhältnis aus Leistung in Kilowatt (kW) und dem Energieinhalt einer Batterie in Kilowattstunden (kWh) verwenden. In beiden Fällen ergibt sich die Einheit 1/h. Häufig wird stattdessen auch einfach die Einheit „C“ verwendet, was allerdings physikalisch nicht ganz korrekt ist.
Je höher die C-Rate, desto schneller die Ladung
Dieses Verhältnis kann man sowohl für Lade- als auch für Entladeleistungen angeben, wobei üblicherweise die Entladeleistung deutlich über der Ladeleistung einer Elektroautobatterie liegt. Ein Blick auf die technischen Datenblätter eines beliebigen Elektroautos [1] bestätigt: Die Antriebsleistung eines Elektrofahrzeugs, welche ungefähr der Entladeleistung einer Batterie entspricht, liegt praktisch immer über der Ladeleistung. Je höher die C-Rate ist, desto schneller lädt das Elektroauto, da im Verhältnis zur Batteriegröße eine höhere Ladeleistung anliegt.
Um das Schnellladen verschiedener Fahrzeuge vergleichen zu können, konzentrieren wir uns hier bei der C-Rate auf die Ladeleistungen. Ein Smart EQ (Test) [2] mit einem Bruttoenergieinhalt von 17,6 kWh kann mit bis zu 22 kW mittels der optionalen Drehstromladung geladen werden, welche Smart mitunter auch als Schnellladung bezeichnet. Ist diese Bezeichnung also gerechtfertigt, obwohl es sich nicht um eine Gleichstrom-Ladung handelt? Berechnet man die C-Rate als Quotient aus Ladeleistung und Bruttoenergieinhalt, erhält man als Resultat 1,25.
Ein Smart ist schneller als ein Tesla Model S
Beim Premium-Elektroauto Tesla Model S mit der 100-kWh-Batterie lag bis vor kurzem die Ladeleistung am Tesla-Supercharger bei 120 kW. Daraus ergibt sich eine C-Rate von 1,2. Bezogen auf die Batteriegröße lädt der Smart also schneller als ein Tesla Model S 100D. Freilich kann der Tesla anschließend die vier- bis fünffache Strecke zurücklegen. Dennoch offenbart diese kleine Berechnung, dass auch Smart die Ladefunktion seiner Elektrofahrzeuge als Schnellladen bezeichnen kann.
Bei vielen der jüngst vorgestellten Elektrofahrzeugen hat sich eine Ladezeitangabe von 30 Minuten für eine Ladung von 0 auf 80 Prozent etabliert. Aus diesen Informationen sowie dem Energieinhalt der Batterie lässt sich die durchschnittliche Ladeleistung für eine solche Schnellladung ableiten. Der Opel Corsa-e beispielsweise verfügt über eine Batterie mit 50 kWh Energieinhalt (brutto).
Der nutzbare Energieinhalt (netto) liegt üblicherweise im Bereich von 90 Prozent, welcher hier unterstellt wird. Um die Batterie also von 0 auf 80 Prozent zu laden, müssen 80 Prozent des Nettoenergieinhalts nachgeladen werden. Das entspricht 36 kWh, unberücksichtigt der Ladeverluste. Um diese Energie in einer halben Stunde laden zu können, muss die durchschnittliche Ladeleistung 72 kW betragen. Bei 50 kWh Energieinhalt der Batterie ergibt sich eine C-Rate von durchschnittlich 1,44.
Zum Beginn des Ladevorgangs wird diese voraussichtlich sogar noch etwas höher sein und ab ca. 50 Prozent Ladezustand langsam abnehmen. Auch der Opel Corsa-e [3] lädt demnach, bezogen auf die Batteriegröße, mit einer höheren Ladeleistung als das Tesla Model S 100D.
Als Schnellladung gilt alles oberhalb 1 C
Da diese Berechnungsschritte immer der gleichen Logik folgen, kann man festhalten, dass für eine Schnellladung von 0 auf 80 Prozent in 30 Minuten ungefähr 1,4 bis 1,5 C erforderlich sind, in der Spitze sogar noch etwas mehr. Die Ladeleistung beträgt daher ungefähr das 1,5-fache des Batterieenergieinhalts.
Unterstellt man, dass ein Schnellladevorgang immer weniger als eine Stunde dauern sollte, so kann ab Laderaten von 1 C von einer Schnellladung gesprochen werden. Das macht deutlich, dass allein eine Gleichstromladung nicht ausreicht, um von Schnellladen sprechen zu können. Die Gleichstrom-Ladesäule muss dazu ebenfalls die erforderliche Ladeleistung zur Verfügung stellen. Das ist auch der Grund, weshalb immer mehr Ladestationen mit deutlich über 100 kW [4] Ladeleistung entlang der Autobahnen [5] errichtet werden, um auch Batterien mit deutlich über 50 kWh mit ausreichend schnell laden zu können. Der Porsche Taycan [6] beispielsweise zieht dank 800-Volt-Batterie bis zu 270 kW, Porsche stellt zudem eigene Säulen auf [7].
(Bild: Marcus Zacher)
Die Angabe der C-Rate sagt natürlich noch nichts darüber aus, wie viele Kilometer nach einer Ladung tatsächlich zurückgelegt werden können, was der Vergleich von Smart und Tesla gezeigt hat. Eine Definition auf Basis von nachgeladenen Kilometern pro Zeiteinheit, beispielsweise 15 oder 30 Minuten, wäre daher sicherlich die kundenfreundlichere Definition, die auch eine leichtere Vergleichbarkeit zwischen den Fahrzeugen ermöglicht.
Ferner spielt in diese Angabe auch die Effizienz des Elektroautos hinein. Eine geringere Ladeleistung kann schließlich über einen geringeren Fahrverbrauch kompensiert werden. Dennoch hilft die Angabe der C-Rate, die Ladeleistungen eines Elektrofahrzeugs auf technischer Ebene vergleichbar zu machen und gibt Auskunft darüber, wie stark eine Batterie bei der Ladung belastet wird.
URL dieses Artikels:
https://www.heise.de/-4535987
Links in diesem Artikel:
[1] https://www.heise.de/autos/thema/Elektroautos
[2] https://www.heise.de/autos/artikel/Unterwegs-im-Smart-EQ-fortwo-Der-Logische-4197956.html
[3] https://www.heise.de/autos/artikel/Opel-Corsa-e-Preise-und-Marktstart-4439183.html
[4] https://www.heise.de/autos/artikel/Erste-350-kW-Ladesaeule-in-Sachsen-4444501.html
[5] https://www.heise.de/autos/artikel/Europaeischer-350-kW-Ladesaeulen-Korridor-3356442.html
[6] https://www.heise.de/autos/artikel/Premiere-Porsche-Taycan-4513184.html
[7] https://www.heise.de/autos/artikel/Schnell-Ladesaeulen-von-Porsche-3799656.html
Copyright © 2019 Heise Medien