Gleich zu Beginn – was bedeutet die Abkürzung RFID? Das steht für Radio Frequency Identification. Diese Technologie ist keine wirklich neue – auch wenn es manchmal so wirkt. Begonnen hat alles in den 1960er Jahren. Ein Grund, warum RFID erst in den letzten Jahren so richtig auf die Erfolgsspur gewechselt ist, ist der Preis. In den 1960er und 1970er Jahren war der Preis von Chips noch so hoch, dass sich die Produktion nicht lohnte.
Aber heute sind Chips überall zu finden und die Produktionskosten sind im Vergleich zu den 1960er Jahren marginal. Das ist auch der Grund, warum zahlreiche Unternehmen in die technologische RFID-Entwicklung viel Geld stecken und somit den Fortschritt massiv antreiben. Zudem kosten die RFID-Transponder erheblich weniger. Wir klären für Sie im Folgenden, was genau ein RFID-System ist, wo die Vorteile liegen und wo die Anwendungsgebiete sind.
Was genau ist ein RFID-System?
Der englische Begriff Radio Frequency Idenitification bedeutet in der Übersetzung in etwa Funkerkennung. RFID, so die Kurzform, wurde dafür geschaffen, bei der drahtlosen Übermittlung von Sensormesswerten behilflich zu sein.
Ein modernes RFID-System besteht in der Regel aus einem RFID-Transponder (Wortschöpfung aus Transmitter und respond – also Sender und antworten) und einem Lesegerät, das man RFID-Reader nennt.
Der Grund, warum sich das System aktuell immer mehr durchsetzt, ist, RFID-Systeme sind in der Lage, die unterschiedlichsten technischen Daten ohne direkte Berührung zu lesen und zu speichern. Die Wege des Informationsaustausches sind nicht auf einen davon beschränkt. Hat ein RFID-System eine Reichweite von lediglich wenigen Metern, operiert es in einem Frequenzbereich zwischen 120 und 150 kHz. Diese werden zum Beispiel bei Wallboxen mit einem RFID-Schlüssel eingesetzt.
RFID-Systeme, die über eine Maximalreichweite von 200 m verfügen, operieren in einem Bereich zwischen 3,1 und sagenhaften 10 GHz.
Nun wird es technischer. Ganz allgemein gesagt, bauen alle RFID-Verfahren auf dem Prinzip von Resonanz und Reflexion auf. Dabei setzt man auf eine kontaktlose Kopplung mit magnetischer oder elektromagnetischer Verbindung. Das Koppelelement setzt sich aus einer Antennenspule oder einer Dipolantenne zusammen. Welche von beiden verwendet wird, hängt von der RFID-Frequenz ab.
Kommen wir zu den Transpondern in einem RFID-System. Gruppiert man diese energietechnisch, erhält man passive RFID-Transponder, aktive RFID-Transponder und semi-passive RFID-Transponder. Ist der RFID-Transponder passiv, so fließt die Energie komplett über den RFID-Reader. Hier findet auch der Datentransfer statt. Bei einem aktiven RFID-Transponder hat auch dieser eine eigene Energiequelle. Spricht man von einem semi-passiven RFID-Transponder, bezieht dieser die Energie vom Reader. Um das HF-Signal zu erzeugen, braucht dieser aber eine eigene Stromquelle.
Wie ist ein RFID-System aufgebaut?
Der RFID-Reader ist bei diesem System sozusagen das Element, das abfragt. In den überwiegenden Fällen besteht der Reader aus einem HF-Modul. Dieses wird aus einer Elektronikschaltung gebildet, die mit einer Schwingkreisbeschaltung ausgestattet ist.
Der RFID-Transponder besteht aus einer Antennenspule. Dazu kommen noch ein elektronischer Chip sowie ein elektrisches Eingangsnetzwerk. Es gibt auch Modelle, bei denen die Antenne direkt in den Chip integriert ist.
Wie funktioniert ein RFID-System physikalisch betrachtet?
Der Reader ist hierbei die Sende- sowie die Empfangseinheit in einem Nahfeldbereich. Hier wird jenes Signal erzeugt, das in der Antennenspule ein magnetisches Wechselfeld erstellt. Abhängig vom Abstand strömt das magnetische Feld Großteils in die Antennenspule des Transponders. Nun erzeugt der ein elektrisches Feld. Ist der Transponder in der Reichweite des Reader-Magnetfeldes, entzieht er dem Feld die Energie. Mit dieser Energie wird der elektrische Energiespeicher geladen. So wird der Chip im Transponder aktiviert. Letztlich decodiert er das empfangene Signal.
Das decodierte Signal ist wichtig. Hieraus generiert der Chip in Kombination mit den Daten im Transponder ein wiederum codiertes magnetisches Wechselfeld als Antwort. Die Magnetfeldstärke wird in diesem Kontext durch das Ab- und Zuschalten eines Lastwiderstands moduliert. Das erkennt der Reader als sogenannte transformierte Impedanz.
Die Lastmodulation sorgt also für die Änderung des Magnetfeldes. Der Effekt ist mit einer Amplitudenmodulation gleichzusetzen. Letztere ist ebenfalls mit einer digitalen Information des Transpondersignals verwandt. Die genannte Information inkludiert die Seriennummer des Transponders sowie andere Daten.
Über geeignete Schnittstellen können die gespeicherten technischen Daten elektronisch ausgelesen und verarbeitet werden. Der Transponder beeinflusst also das gesendete magnetische Wechselfeld des Readers.
Kann man ein RFID-System erweitern?
Kurz gesagt, ja. Aber nun die detaillierte Antwort. Als Erweiterung gelten RFID Systeme mit integrierten oder externen Sensoren, die für die drahtlose Übertragung von Sensormesswerten ausgelegt sind. Dies gilt speziell für den Hochfrequenzbereich. Statt hier von RFID zu sprechen, erweitert man und sagt RFIDS (Radio Frequency Identification Sensors).
Diese Sensoren speichern ihre Messwerte auf RFID-Schreib- und Lesegeräte – und das ohne Berührung. Das gilt auch für die Änderung von Daten. Erweitert man ein RFID System mit einem Sensor, entsteht ein RFID Sensor.
Was sind die Vorteile vom RFID?
Wichtig ist, ein RFID ermöglicht es, dass Sie einen Datenaustausch starten, ohne dass der Sender und der Empfänger in direktem Kontakt stehen müssen. Aus dieser Tatsache heraus entwickeln sich verschiedene Vorzüge.
Dazu gehört die Signal-Durchdringung von verschiedenen Materialien. Der Transponder bei einem RFID-System ist besonders widerstandsfähig. Mittels RFID ist es möglich, dass Daten elektronisch gespeichert und programmiert werden können. Das RFID-Modell kann den Barcode ablösen, denn die Datenerfassung läuft im Vergleich zu letzterem bei ersterem 20-mal schneller ab. Zudem erlaubt RFID eine Pulkerfassung. Diese dient dazu, bei logistischen Prozessen die Waren ohne einzelne Erfassung allgemein, automatisch und ganzheitlich einfach zu erfassen.
Welche Möglichkeiten verschafft RFID der Wirtschaft?
RFID kann vielen Unternehmen dabei helfen, die eigenen Geschäfte effektiver und effizienter zu gestalten. Mit dieser drahtlosen Kommunikationstechnologie können so Waren extern und intern einfach verfolgt und so der Warenfluss perfekt koordiniert werden. Damit steigert RFID die Effizienz von Betriebsabläufen. Somit werden Kosten gesenkt und die Warenverfolgung vereinfacht. Das schafft im B2B- sowie im B2C-Bereich hochgradige Transparenz und somit Vertrauen.
In den Vereinigten Staaten von Amerika sind RFID-Tags aus dem täglichen Geschäftsleben nicht mehr wegzudenken. Sie werden im Rahmen des Zugangsmanagements sowie im Bereich des Materialidentifikationsmanagements eingesetzt.
Die Menschen in den USA verwenden die RFID-Tags für kommerzielle Zwecke, als Healthcare-Tags sowie als Korrektur-Tags. Speziell die Healthcare-Tags werden von Krankenhäusern in den Staaten immer öfter bevorzugt. So können diese ihre Prozesse rationalisieren, indem sie die Abrechnungen sowie die Berichterstattung entsprechend automatisieren.
Neben dem Gesundheitswesen zählen der Einzelhandel, die Sicherheitsindustrie, die Automobilbranche sowie die IT, die Viehzucht und die logistische Transportbranche zu den wichtigsten Nutzern dieser Technologie.
Vor allem in der Transportbranche, so glauben Analysten, wird sich in Zukunft ein starker Markt für RFID-Tags entwickeln. Die Fähigkeit zum „Tracking and Tracing“ soll die Effizienz innerhalb der Logistikbranche erheblich steigern.
Wie funktionieren RFID-Systeme mit hohen Frequenzen?
Bei Wallboxen werden RFID-Systeme mit niedrigen Frequenzen eingesetzt. Dies liegt daran, dass die Reichweite dafür nicht groß sein muss. Aber es gibt noch die UHF-Tags (Ultra High Frequency). Wie funktionieren diese?
Hierbei müssen die Sender und die Empfänger nicht unbedingt auf die Frequenz des RFID-Lesegeräts reagieren. Sogenannte Fernfeld-Systeme arbeiten mit Backscatter-Verfahren. Dabei werden die empfangenen Signale nicht zurückgesendet, sondern lediglich reflektiert. Hier ist sowohl der Transponder, als auch der Reader mit einer sogenannten Dipolantenne ausgestattet. Der Transponder-Dipol nimmt dabei die vom Reader-Dipol gesendete HF-Spannung auf.
Dabei wird die HF-Spannung gleichgerichtet. Ein Teil der Spannung wird auch zur Versorgung verwendet, ein anderer reflektiert. Über das Zu- und Abschalten eines Lastwiderstands wird das reflektierte Signal für die Datenübertragung moduliert. Das Signal wird vom Reader erfasst und anschließend interpretiert.
Sie versorgt Ihr E-Auto mit Energie – die Wallbox. Diese moderne Ladetechnik für Elektrofahrzeuge erobert seit einigen Jahren durch ihre praktischen Seiten den Markt. „Einfach“ an eine Starkstromleitung angeschlossen und schon fließt der Strom in Ihr E-Auto. Damit das reibungslos funktioniert, steckt in einer handelsüblichen Wallbox eine Menge Technik. Haben Sie sich schon mal folgende Frage gestellt: Was steckt eigentlich an Technik in einer modernen Wallbox drin? Wir geben Ihnen Antworten.
Wie sieht das Innenleben einer Wallbox aus?
Kabel anstecken und schon lädt sich Ihr E-Auto an der Wallbox mit Energie voll. Was von außen so einfach anmutet, wird im inneren von Hightech gesteuert. In einer Wallbox stecken folgende Bauteile:
FI-Schutzschalter
Installationsschütz
Phasenstromerkennung
DC-Fehlerstrommodul
Energiezähler
Logging Gateway
Notfall-Kondensator
EVCC
Backend
Der FI-Schutzschalter
Das ist ein Sicherheitsmechanismus. Er registriert sogenannte Fehlerströme. Das bedeutet, tritt ein AC-Fehlerstrom auf, schlägt der FI-Schutzschalter Alarm. Dieser Alarm stellt sicher, dass keine Gefahr für den Anwender durch einen Defekt in der Zuleitung entsteht.
Das Installationsschütz
Der Strom fließt nach dem FI-Schutzschalter auch durch das Installationsschütz. Das ist letztlich ein ferngesteuerter Ein-/Aus-Schalter. Mit dem Installationsschütz startet oder stoppt man den Stromfluss.
Die Phasenstromerkennung
Der Stromnetzbetreiber gibt vor, dass ein Gebäudestromnetz aus drei Phasen bestehen muss. Diese drei sorgen für einen ausgeglichenen Zustand. Dafür misst die Phasenstromerkennung, ob das E-Auto zu viel Strom aus einer oder mehreren Phasen zapft. Passiert das, gibt die Phasenstromerkennung ein Signal an das Installationsschütz. Der Ladevorgang wird gestoppt.
Das DC-Fehlerstrommodul
Die E-Auto-Akkus benötigen Gleichstrom – auch DC-Strom genannt. Aus dem Stromnetz kommt aber AC-Strom, also Wechselstrom. Die Umwandlung von einem in den anderen Strom wird nicht in der Wallbox, sondern im Elektrofahrzeug selbst vorgenommen. Das DC-Fehlerstrommodul ist hier sozusagen das Gegenstück zum FI-Schalter. Das Modul schützt die Wallbox vor fahrzeugseitigen Fehlerströmen. Damit werden die Wallbox sowie die Haushaltselektrik geschützt.
Der Energiezähler
Der Strom in der Wallbox fließt auch durch den Energiezähler. Hier wird der kWh-Verbrauch gemessen. Der Energiezähler ist der Grund, warum der Energieverbrauch am E-Auto nicht in die Messung einbezogen wird. Über den Energiezähler wird auch bei Bezahl-Stationen finanziell abgerechnet.
Das Logging Gateway
Im Logging Gateway werden die Werte aus dem Zähler signiert gespeichert. Das gewährleistet einen sogenannten eichrechtskonformen Betrieb. So kann die Abrechnung nicht manipuliert werden.
Der Notfall-Kondensator
Fällt der Strom aus, kann es passieren, dass der Stecker der Wallbox im Fahrzeug arretiert bleibt. Bliebe das so, könnte das E-Auto nicht ohne Schaden zu verursachen losfahren. Der Notfall-Kondensator greift hier ein. Er leitet die Entriegelung ein und der Stecker kann problemlos gezogen werden.
EVCC – der Electric Vehicle Charge Controller
Das EVCC ist die Kommunikationszentrale Ihrer Wallbox. Es „spricht“ mit dem E-Auto, dem DC-Fehlerstrommodul und der Phasenstromerkennung. Es ist auch dafür zuständig, über das Installationsschütz den Ladevorgang freizuschalten.
Das Backend
Neben dem EVCC ist das Backend der zweite Computer in einer Wallbox. Das Backend liest die Daten des EVCC und des Energiezählers aus. Zudem kann es verfügbaren Strom intelligent auch zwischen mehreren Elektrofahrzeugen aufteilen.
Worauf müssen Kommunen bei öffentlichen Ladesäulen achten?
Das Aufstellen von Ladesäulen im öffentlichen Raum fällt unter das Straßenrecht. Da öffentlicher Raum nicht unbegrenzt vorhanden ist, gilt es hier, sich genau an die Genehmigungspflicht zu halten. Jedes Bundesland hat hier eigene Regeln. Vieles wird erleichtert, wenn die Kommune ein gut durchdachtes Standortkonzept für eine bedarfsgerechte E-Ladeinfrastruktur vorlegt. Beispielhaft dafür ist jenes der Stadt Potsdam[1].
Welche Kriterien entscheiden über die richtige Standortwahl der Ladepunkte?
Ganz allgemein gilt, dass eine Kommune genau abwägen muss, ob die E-Ladeinfrastruktur auf öffentlichem oder nicht doch auf privatem Boden realisiert werden kann. Am einfachsten ist diese Entscheidung zu treffen, wenn man sich folgende Kriterien vor Augen hält:
Störungsfreier Standort, an dem die Verkehrssicherheit nicht beeinträchtigt wird.
E-Autofahrer und E-Autofahrerinnen sollten den gewählten Standort einfach, ungehindert und problemlos anfahren können.
Abzuklären ist, ob am gewählten Standort ein Netzanschluss vorhanden ist oder ob hier ohne Probleme ein solcher entstehen kann.
Ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass am gewählten Standort viele E-Autos geladen werden, muss die vorhandene Netzkapazität darauf ausgelegt sein. Lastmanagement ist hier das Stichwort.
Am gewählten Standort soll der motorisierte Individualverkehr in einer ausreichend hohen Frequenz vorbeifahren.
Beispiele für Ladesäulen an öffentlichen Gebäuden
Jedes Jahr werden in Deutschland mehr und mehr E-Autos verkauft. Die Menschen nehmen die Angebote der Bundesregierung an und werden umweltbewusst ein Teil der Mobilitätswende. Damit demonstriert die höchste Verwaltungsebene im Staat, dass Umweltbewusstsein wichtig ist. Und hier wollen Kommunen und Gemeinden oftmals nicht hintenanstehen.
Exemplarisch stellen wir Ihnen die Stadt Meckenheim vor. Meckenheim liegt in Nordrhein-Westfalen, nahe der Stadt Köln. Die Stadt mit ihren rund 25.000 Einwohner und Einwohnerinnen ist seit dem Jahr 2001 Mitglied der Arbeitsgemeinschaft fahrrad- und fußgängerfreundlicher Städte, Gemeinden und Kreise in NRW e. V. Daran erkennt man den Willen der Stadtregierung, sich für eine saubere Umwelt und eine reine Atemluft einzusetzen.
Nun fördert man auch den innerstädtischen E-Autoverkehr. Direkt am Rathaus wurden verschiedene Ladepunkte für E-Autos installiert. Die Energie dafür kommt von Rheinenergie und stammt laut Angaben der Stadt[2] nicht überwiegend aus erneuerbaren Quellen (Nachholbedarf).
Das Laden an den Säulen ist meist kostenpflichtig. Als Identifikationssystem fungieren RFID-Karten. Folgende Steckertypen sind vorhanden:
2-mal Typ 2 Steckdose für 22 kW Wechselstrom/ dreiphasig
1-mal EU Schuko-Steckdose 2 kW Wechselstrom / einphasig
1-mal EU Schuko-Steckdose 3 kW Wechselstrom / einphasig
„Elektromobilität ist ein Zukunftsthema für uns als Kommune. Damit wird die Lebensqualität in der Stadt deutlich verbessert. Wir freuen uns über die Gelegenheit, das elektrische Fahren zu testen“, erklärt der technische Beigeordnete der Stadt Meckenheim, Heinz-Peter Witt[3].
Hier kommt es nicht auf Ihren Geschmack, sondern auf die beste und vor allem passende Technik an – beim Ladekabel für Ihr E-Auto. Über Geschmack lässt sich bekanntlich nicht streiten, aber bei der Technik von Ladekabeln gibt es durchaus verhandelbare Positionen. Die einen benötigen zum Beispiel ein kurzes Kabel, die anderen ein langes. Es ist also wichtig, die Anforderungen des E-Autos, der Wallbox, der örtlichen Gegebenheiten und einiges mehr zu bedenken.
Faktoren für das Laden eines E-Autos
Das Betanken von Verbrennern geht schnell. In der Regel um ein Vielfaches schneller als das Laden von E-Autos. Die Ladegeschwindigkeit und die Ladeeffizienz hängen bei einem Elektrofahrzeug von drei Faktoren ab:
Dem Ladesystem im Fahrzeug
Der Lademöglichkeit
Der Stecker-Kabel-Kombination
Was einfach klingt, kann rasch kompliziert werden. Eine Wallbox oder Ladestation, die für das eigene E-Auto ungünstig hängt, nötigt oftmals dazu, sich die seltsamsten Parkpositionen auszuwählen. Ist das bei Ihnen der Fall, können Sie kreatives Parken üben, oder sich ein zusätzliches Ladekabel im Fachhandel bestellen. Viele mitgelieferte Ladekabel können die Distanz oftmals nicht richtig überbrücken oder spannen so, dass es gefährlich wird. Daher ist es sicherer, ein neues Ladekabel zu bestellen, das durchaus ein wenig durchhängen darf.
Welche Ladeoptionen gibt es?
In jedem Haushalt gibt es die passend benannten Haushaltssteckdosen. Hier können Sie mittels eines Mode-2-Kabels Ihr Fahrzeug mit Energie versorgen. Das Problem ist, die Verkabelung einer Schuko-Steckdose ist auf die Dauerbelastung beim Laden nicht ausgelegt. Und die Dauer ist lang, denn das Laden über eine Haushaltssteckdose kann sich über viele, über sehr viele Stunden ziehen.
Um die Ladung Ihres E-Autos schneller und vor allem sicher zu gestalten, sollten Sie eine Wallbox mit einem Mode-3-Kabel sowie einem Typ-2-Stecker wählen. Ob Sie eine 11 oder 22 kW-Ladeleistung wählen, ist in der Regel für diese Entscheidung nicht so wichtig.
Am schnellsten können Sie nach dem aktuellen Stand der Technik an einer öffentlichen Ladesäule laden, welche über ein Mode-3-Kabel mit bis zu 43 kW verfügt.
Richtig schnelles Laden gelingt Ihnen mit DC-Ladegeräten. Hier werden in der Regel CSS- oder sogar CHAdeMO-Anschlüsse verwendet. Damit wird Ihr passend ausgestattetes E-Auto, speziell der Akku, mit bis zu 270 kW geladen. Das bedeutet, dass Sie für eine 80-%-Ladung zwischen 30 und 45 Minuten Zeit aufwenden müssen. Das Kabel für diese Art des Ladens ist in etwa so dick wie ein Daumen.
Wie lang sollte das Ladekabel sein und welche Form sollte es haben?
Hier gibt es auf dem Markt eine große Vielfalt. Stellen Sie sich also folgende Fragen:
Wie lange ist der Weg von Ihrer Wallbox zum Anschluss an Ihrem E-Auto?
Soll Ihr Kabel glatt sein oder sich in einer Spirale ringeln?
Viele Menschen entscheiden sich für ein kurzes Kabel. Sie sehen den Vorteil, dass ein solches einfacher in den Kofferraum des Fahrzeuges passt und damit sicher aufgehoben ist. Aber, und das kann zu einem unguten Problem werden, wenn die entscheidenden cm fehlen, kann man nicht laden. Ein zu kurzes Ladekabel ist oftmals dann ein Ärgernis, wenn ein anderes dieser Art auftritt – die E-Ladestation ist von einem Verbrenner zugeparkt. Ist das der Fall, kann Ihnen ein besonders langes Ladekabel dennoch die Stromversorgung sichern. Aber eines ist auch klar: Ein langes Kabel ist schwerer, sperriger und kostet mehr als ein kurzes. Ein weiterer Nachteil bei langen Ladekabeln ist, dass diese dazu neigen, die Verlustleistung zu steigern.
Die Dicke bei Ladekabel
Entscheiden Sie sich für ein 32-Ampere-Ladekabel, bekommen Sie einen Querschnitt von sechs m² pro Phase. Für jeden Meter, den ein solches Kabel misst, entsteht ein Verlust von rund drei W. Laden Sie mit einem dreiphasigen Kabel, so gehen Ihnen schnell neun W flöten – aber welches Ladekabel ist schon „nur“ einen Meter lang. Bei einem handelsüblichen Ladekabel von 5 m Länge verlieren sie also so 45 W. Das ist nicht viel, aber dennoch ein Verlust.
Mobil oder fix angeschlagen? Welches Ladekabel sollte länger sein?
Kurz gesagt: Ein mobiles Ladekabel sollte länger sein, ein fix angeschlagenes an Ihrer heimischen Wallbox kann durchaus kürzer sein, so Sie beim Parken keine Probleme haben. Wenn Sie die Länge für Ihr mobiles Ladekabel schätzen müssen, halten Sie sich an folgende Regel: Addieren Sie die Länge und die Breite Ihres E-Autos. Das ist die Mindestlänge für Ihr mobiles Ladekabel.
Glattes Kabel oder eines in Spiralform?
Welche Kabelform soll es denn für Sie sein? Wählen Sie das glatte oder jenes, das sich kringelt.
Das glatte Ladekabel ist gut dazu geeignet, es einfach um Ihr E-Auto zu legen. Spannt es aber nicht, sondern hängt durch, kann es durchaus vorkommen, dass das glatte Ladekabel am Boden landet. Die Spiralkabel ziehen sich meist so zusammen, dass die Auflageflächen gering sind. Zudem lassen sich spiralförmige Ladekabel auch sehr einfach durch die Luft verlegen. Sie bleiben auch in dieser Lage stabil. Der Nachteil daran ist, wenn der punktuelle Druck auf dem Lack lastet, können Lackschäden entstehen. Das kann aber auch bei glatten Ladekabeln der Fall sein, wenn diese zuvor auf dem Boden schleifend oder liegend einige winzige Steine „aufgesammelt“ haben und anschließend über den Lack gezogen werden.
Fazit
Ladekabel sind die Verbindung zwischen dem E-Auto und der Ladestation (Wallbox). Wählt man das passende Kabel, ist alles OK. Erst, wenn man das falsche Kabel für das Aufladen eines Elektrofahrzeuges nimmt, erkennt man, dass Vorab-Informationen wichtig sein können.
Neben den anderen Faktoren ist die Länge des Kabels unserer Meinung nach der wichtigste. Es gibt nichts Ärgerliches, als den Moment, wenn man erkennt, dass man mit seinem mobilen Ladekabel die Ladestation nicht erreichen kann – egal, wie kreativ man einparkt. Wir haben die Regel Autobreite + Autolänge = Mindestkabellänge schon vorgestellt. Um auf Nummer sicher zu gehen, sollten Sie hier speziell bei mobilen Ladekabeln noch einen, vielleicht sogar noch zwei Meter addieren. Damit senken Sie die Wahrscheinlichkeit, unterwegs das E-Auto nicht laden zu können.
Mathematische Formeln sind ein kultureller Schatz. Einmal gefunden und weitergegeben, erleichtern Sie das Leben zahlreicher Menschen. Mathematik ist die Sprache der Logik, der man nicht entkommen kann. Daher haben wir beschlossen, für Sie einige wichtige Kennzahlen aus der Elektromobilität und der Berechnungsformeln zusammenzufassen.
Wir geben Ihnen Werkzeuge in die Hand, mit denen Sie rechnen können.
Wie berechnet man die Ladeleistung von E-Autos?
Die Ladeleistung ist vermutlich die wichtigste Größe, wenn es um die Bestimmung der Ladedauer zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug geht. Hier gilt der allgemeine Satz: Je größer die jeweilige Ladeleistung der Ladestation und des E-Fahrzeugs sind, desto schneller lädt das Elektroauto. Die Einheit der Ladeleistung ist Kilowatt (kW).
Damit Sie die Ladeleistung selbst berechnen können, brauchen Sie folgende Werte Ihres Stromanschlusses für die Ladestation:
Die Anzahl an Phasen
Die Spannung in Volt
Die Stromstärke in Ampere
Zum Verständnis: Normale Haushaltsgeräte verwenden überwiegend eine Phase. Die meisten E-Autos hingegen benutzen zwei- oder auch drei Phasen für das Laden. Die Phasen sorgen hier für eine Verdoppelung oder eben Verdreifachung der Ladeleistung bei gleichbleibender Stromstärke.
Verwenden Sie einen dreiphasigen Anschluss, kommt es auch darauf an, wie die Ladestation selbst mit dem Netz verbunden ist. Dabei gibt es die Stern- und die Dreieckschaltung. Bei der Sternschaltung liegen 230 und bei der Dreieckschaltung 400 Volt an.
Hat man die Werte vorliegen, kann man diese für die Berechnung der Ladeleistung in folgende Formel eintragen:
Wir erleichtern Ihnen die Rechnungen und zeigen Ihnen drei Beispielrechnungen:
1 Phase * 230 V Spannung * 16 A Stromstärke / 1.000 = 3,7 kW Leistung
3 Phasen * 230 V Spannung * 16 A Stromstärke / 1.000 = 11 kW Leistung
3 Phasen * 230 V Spannung * 32 A Stromstärke / 1.000 = 22 kW Leistung
Man erkennt, möchte man eine Ladeleistung von 22 kW erreichen, sollte man bei 3-phasigem Laden eine Stromstärke von 32 Ampere wählen.
Welches E-Auto fahren Sie? Haben Sie sich einen e-Golf zugelegt, lädt dieser 2-phasig. Liegt also allgemein eine Spannung von 230 V und eine Stromstärke von 16 A an, erreichen Sie so eine Ladeleistung von 7,4 kW. Damit haben Sie eine Vorstellung, welche Art der Wallbox Sie für Ihre private Lademöglichkeit benötigen.
Welche Einflussfaktoren auf die Ladeleistung gibt es?
Ganz allgemein gilt, dass jedes Elektroauto eine spezifische Ladekurve und damit ein eigenes Ladeverhalten hat. Es gibt interne Ladesteuerungen bei Elektrofahrzeugen, die sich im Rahmen der Ladeleistung neben dem SOC (Ladezustand oder „State of Charge“) auch auf die Temperatur der Batterie fokussieren. Das passiert deswegen, weil das Drosseln der Ladeleistung einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer einer E-Auto-Batterie haben kann. Zudem wird so ein Überhitzen des Akkus verhindert. Das führt zu mehr Sicherheit beim Ladevorgang.
Die Temperatur einer Batterie hängt auch von der Umgebungstemperatur ab. Im Winter sind sie eher kalt, im Hochsommer dafür schneller warm. Kalte Batterien können auch zu einem Drosseln führen. Wir raten allgemein, dass Sie Ihr E-Auto im Winter und allgemein bei niedrigen Temperaturen direkt nach dem Fahren und noch „auf Betriebstemperatur“ laden sollten.
Die Ladeleistung wird auch über den Ladezustand des Akkus beeinflusst. Oftmals ist es so, je mehr geladen eine Batterie ist, desto langsamer lädt sie.
Wie berechnet man die Ladedauer von E-Autos?
Die Verweildauer an der Ladestation wurde lange von Kritikern genannt, wenn diese gegen die E-Mobilität argumentierten. Das Laden von E-Autos ist in den letzten Jahren eine immer rasantere Angelegenheit geworden. Von über 10 Stunden noch vor wenigen Jahren, sind wir heute auf dem Stand, dass Schnelllader oder auch der Tesla Supercharger unter 40 oder gar unter 20 Minuten ein E-Auto wieder mit reichlich Energie versorgen können.
Dennoch bleibt im Vergleich zum Betanken eines Verbrenners immer noch eine merkliche Zeitspanne. Speziell für Urlaubs- oder Dienstfahrten wollen viele Menschen die Pausen, die für das Laden verwendet werden, exakt in die Planung einkalkulieren können.
Um die Ladedauer zu berechnen, benötigen Sie folgende Werte:
Die Kapazität der Batterie
Die Ladeleistung
Nun dividieren Sie die Batteriekapazität durch die Ladeleistung. Um einen schwankenden Ladevorgang und das Batterielimit in die Berechnung einzubauen, verwenden viele Experten und Expertinnen den Faktor 1,3. Das sieht dann so aus:
Bleiben wir beim Beispiel e-Golf. Bei diesem wissen wir, die Ladeleistung beträgt 7,4 kW. Ein solches Fahrzeug verfügt in der Regel über eine Batterie mit der Größe von 35,8 kWh.
35,8 / 7,4 * 1,3 = 6,3
Das bedeutet, Sie benötigen 6,3 Stunden, um diesen beispielhaften e-Golf von 0 auf 100 % zu laden. Bitte beachten Sie, dass dies eine theoretische Berechnung ist. In der Praxis fahren Sie Ihr E-Auto überwiegend nicht komplett leer. Die meisten Fahrten im Alltag können mit einer Ausgangsladung von 80 % bestens absolviert werden. Auch das verkürzt die berechnete Ladezeit.
Wie berechnet man die Reichweite von E-Autos?
Nimmt man E-Mobilitätskritikern mit der detaillierten Berechnung der Ladezeit einigen Wind aus den Segeln, schlägt der argumentative Hammer mit der „geringen“ Reichweite eines E-Autos zu. Die Reichweite der E-Autos hat sich in den vergangenen Jahren aber erheblich verlängert. Diese ist durchschnittlich auf einem Level, dass sämtliche Alltagswege hin und zurück mehrfach ohne aufladen erledigt werden können. Und das gilt nicht nur in urbanen Ballungsräumen mit kurzen Wegen, sondern auch für Überlandwege.
Es ist für die Planung von Wegen im Urlaub, bei Betriebsfahrten oder auch für den Besuch bei Verwandten wichtig, die Reichweite des eigenen E-Autos gut berechnen zu können. Um die Reichweite zu erfahren, benötigen Sie folgende Werte:
Die Kapazität der Batterie
Den Energieverbrauch pro 100 km
Sind Ihnen diese Werte bekannt, können Sie diese in folgende Formel einsetzen:
Batteriekapazität / Energieverbrauch * 100 km = Reichweite
Der e-Golf soll uns auch hier als Beispielfahrzeug dienen. Dieser verfügt über eine Batteriekapazität von 35,8 kWh und einen Energieverbrauch pro 100 km von 12,7 kWh.
35,8 / 12,7 * 100 = 282 km
Je größer die Batteriekapazität, desto höher ist also auch meist die Reichweite. „Meist“ deswegen, weil Sie auch die Möglichkeit haben, selbst die Reichweite Ihres E-Autos zu steigern:
Geben Sie sensibel Gas und fahren Sie vorausschauend.
Bremsen Sie nicht bis zum Stillstand, da das Losfahren sonst mehr Energie benötigt.
Verwenden Sie eine geringere Höchstgeschwindigkeit. Bei höheren Geschwindigkeiten steigt der Luftwiderstand und damit der Stromverbrauch.
Rollwiderstandsoptimierte Reifen helfen, den Energieverbrauch zu senken.
Verwenden Sie die Klimaanlage nicht. Diese verbraucht sehr viel Energie.
Verringern Sie das Gewicht des Fahrzeugs. Dachträger oder Fahrradhalter am Heck abbauen, wenn Sie diese nicht benötigen.
Wie berechnet man den Verbrauch von E-Autos?
Ein E-Auto hat ebenso einen Energieverbrauch wie ein Verbrenner. Das ist der Grund, warum man nachladen muss. Um den Verbrauch eines E-Autos zu berechnen, müssen Sie folgende Werte kennen:
Preis einer Kilowattstunde
Anzahl Kilowattstunde pro Aufladung
Anzahl Reichweite-Kilometer
Die Berechnung sieht wie folgt aus:
Preis einer kWh * Anzahl kWh pro Aufladung / Anzahl Reichweite-Kilometer = Verbrauch pro Kilometer
Wir gehen von folgendem Beispiel aus. Eine kWh über Ihren privaten Stromanbieter kostet 0,30 Euro. Unser Beispielfahrzeug verbraucht 30 kW/h auf 300 km.
30 Cent * 30 kW/h / 300 km = 3 Cent pro km
Nehmen Sie die 3 Cent und multiplizieren diese mit dem Faktor 100. Schon haben Sie den Verbrauch dieses Beispiel-E-Autos auf 100 km. Das wären 3,00 Euro.
Anmerkung: Viele öffentliche Stromladestationen bieten die Energie günstiger an, als Ihr privater Stromanbieter. Informieren Sie sich also in Ihrem nahen Umfeld, ob an einer öffentlichen Ladestation der Preis womöglich günstiger für Sie ist. Verfügen Sie über eine eigene Photovoltaikanlage mit einer Wallbox, die für das PV-Laden oder auch das PV-Überschussladen ausgelegt ist, können Sie die Kosten pro Ladung weiter senken. Laden Sie ausschließlich mit selbst erzeugtem Sonnenstrom, können die Kosten pro Ladung sogar auf null sinken.
In den energielösung-Eigenmarken „Meine Wallbox“ und „Meine smarte Wallbox“ steckt die Technik aus dem Hause Heidelberg. Viele Interessierte haben sich sicher schon einmal gefragt, wie die Produktion einer Wallbox im Detail funktioniert. Für energielösung hat das Traditionsunternehmen exklusiv die Pforten der Produktionshallen geöffnet.
Robert Sike, unser energielösung-YouTuber, hat sich seit vielen Monaten mit den Verantwortlichen bei Heidelberg überlegt, welche Themen und Produktionsschritte Sie als Nutzerin und Nutzer von Wallboxen und E-Autos begeistern könnten.
„Exklusiv, einmalig und einzigartig“
[00:33] Mit genau diesen Worten darf man ohne weiteres die tiefen Einblicke beschreiben, die energielösung in die Produktionsstätte der Heidelberg Wallboxen bekommen hat. Zusammen warfen Robert Sike uns sein Team einen Blick auf die Herstellung der Heidelberg Energy Control.
Aber warum produziert ein seit über 100 Jahren erfolgreicher Hersteller von Drucktechnik sozusagen plötzlich Wallboxen. Die Antwort weiß Matthias Montag, Leiter der Elektronikproduktion bei Heidelberg:
„Heidelberg entwickelt und produziert seit mehr als 30 Jahren selbst die Steuerungen für Druckmaschinen. In diesem Zuge sind die Automobilisten auf uns aufmerksam geworden. Von hier aus war es mehr als konsequent, mit einem eigenen Wallbox-Produkt an den Start zu gehen.“
Dieses klare Konzept war und ist auch heute noch der Grund, warum sich energielösung spezifisch Heidelberg als Partner für ein Eigenmarkenkonzept ausgesucht hat. Hinter dem Eigenmarkenkonzept steht, dass die Modelle „Meine Wallbox“ (Heidelberg Home Eco) und „Meine smarte Wallbox“ (Heidelberg Energy Control) in der Black Edition exklusiv für die Kunden und Kundinnen von energielösung angeboten werden.
Zur Info: Technisch bieten Ihnen diese beiden Modelle absolut identische Qualität und Komponenten. Der Unterschied ist optischer Natur.
Nun geht’s ab in die Produktion. Starten wir in der Lackiererei.
Heidelberg Wallbox-Produktion – die Lackiererei
[02:05] Der Ort, wo die robusten und widerstandfähigen äußeren Komponenten für die Heidelberg Wallboxen mit einem schützenden Lack versehen werden, erstreckt sich über zwei unglaubliche Stockwerke. Damit alle Prozessschritte nahtlos ineinandergreifen können, verläuft hier ein rund 2.500 m langes Produktionsförderband. Das Förderband bringt die Gehäuse und teilweise auch die Innenkomponenten zum Beispiel direkt zu großen Reinigungsanlagen. Dort werden diese sozusagen ähnlich wie bei einem Geschirrspüler vorbehandelt. Hier werden die aus dem Lager antransportierten Komponenten von …
Schmutz,
Fetten,
Metallspänen
… und von allgemeinen Metallresten befreit.
Den Reinigungsanlagen angeschlossen sind die Einheiten zur Pulverbeschichtung. An dieser Stelle des Prozesses wird der Pulverlack auf die Gehäuse durch eine Maschine sowie per Hand aufgesprüht. Das sorgt durch die optische Kontrolle der Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen für ein optimales Ergebnis. Eine Besonderheit an dem Arbeitsschritt der Pulverbeschichtung bei Heidelberg ist, dass durch Absauganlagen kein Material verschwendet wird. Das macht die Produktion umwelt- und ressourcenschonend.
Hat sich die Pulverbeschichtung über die Teile gelegt, gelangen diese in einen großen Backofen. Bei über 200 °C werden das Pulver und die Gehäuse miteinander verbacken. Damit sich der Mitarbeiter oder die Mitarbeiterin in der Endkontrolle nicht die Finger verbrennt, werden die ausgebackenen Teile auf dem Weg dorthin abgekühlt. Hier wird Folgendes kontrolliert:
Ist Schmutz vorhanden?
Sind Fremdpartikel vorhanden?
Kann man Schädigungen am Material optisch erkennen?
Die Dicke der Lackschicht mit einem Schichtdickenmessgerät.
Nach der Kontrolle schafft das Förderband die Teile zur Verpackungsstation.
„Man glaubt ja gar nicht, wie aufwendig allein der Herstellungsprozess bei den Wallbox-Gehäusen ist, wenn man das nicht mit eigenen Augen gesehen hat“, beschreibt energielösung-YouTuber Robert Sike in seiner für ihn typisch begeisterten Art.
Heidelberg Wallbox-Produktion – die Leiterplatten
[4:44] Die Gehäuse sind also fertig. In der Produktionskette bei Heidelberg geht es jetzt um das Innenleben der Wallbox. Bei der SMD-Bestückung (Surface Mount Technology) der Leiterplatte kommt neben der für Heidelberg typischen Handarbeit auch modernste Technik zum Einsatz.
Ehe die Leiterplatten bestückt werden können, benötigen diese sogenannte Leiterbahnen und Anschlussflächen. Diese sind dafür gedacht, die Bauteile nachher miteinander zu verbinden. Um diese Vorgänge sinnvoll und effektiv zu beginnen, werden die Leiterplatten aufgereiht in einzelnen Magazinen an den Anfang der SMD-Bestückung gegeben. Das Magazin ermöglicht, dass sich die Produktionsmaschine Leiterplatte für Leiterplatte automatisch greift.
Der anschließende Arbeitsprozess beginnt damit, dass eine Lotpaste in einem Siebdruckverfahren auf die Leiterplatte aufgetragen wird. Die Paste wird über eine Schablone auf die Platte gedrückt. Das Verfahren ähnelt dem Bedrucken von T-Shirts. Der Rakel, eine Art Spachtel, sorgt zum einen dafür, dass die Paste wirklich in die letzte Ritze eindringt, zum anderen entfernt dieser den Überhang sorgfältig.
Nun ist es so weit. Die elektronischen Bauteile werden indessen mithilfe eines Greifroboters von den einzelnen Spulen auf die Leiterplatten übertragen.
Bei der Produktion der Leiterplatten sorgen an zahlreichen Stellen optische Kamerasysteme für eine stete Qualitäts- und Prozessüberwachung. Dabei wird überwacht, ob unter anderem die Lotpaste korrekt aufgetragen wurde oder ob alle Bauteile an ihrem vorgesehenen Platz sind. Hier werden keine Stichproben genommen. An dieser Stelle wird tatsächlich jede Leiterplatte unter die Lupe genommen. Zusätzlich bestätigt eine integrierte Software die Kontrollen.
Nach bestandener Kontrolle fahren die Leiterplatten wie die Gehäuse in einen Ofen. Bei diesem Produktionsschritt wird die Lotpaste aufgeschmolzen. Durch das anschließende Abkühlen entsteht zwischen den Komponenten und der Platte somit eine elektronische Verbindung.
Der Ausgangsstapler platziert die fertigen Leiterplatten erneut in den Magazinen. Die Magazine werden jetzt an eine THT-Bestückungsmaschine (Through Hole Technology) weitergeleitet. Jetzt werden mittelgroße bis große Bauteile automatisiert über einen Greifer auf den Hundertstel mm genau auf die Leiterplatte aufgebracht.
Einige der Bauteile sind so groß oder haben eine so außergewöhnliche Form, dass eine Maschine diese nicht ordnungsgemäß platzieren könnte. Heidelberg hat das Problem durch die Handarbeit erfahrener Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen gelöst. Über dem Arbeitsplatz sorgt ein optisches Kamerasystem für die Kontrolle. Die Mitarbeitenden bekommen so direkt eine Rückmeldung zu ihrer Arbeit.
In einem abschließenden Prozess wird zwischen die sehr dicht verbauten Teile fluoreszierender Lack aufgesprüht. Dieser Lack verhindert, dass es zu Spannungsüberschlägen auf der Leiterplatte kommen kann. Danach kontrolliert ein automatisiertes Testsystem jede einzelne Platte. Kommt hier das OK, wird die Leiterplatte zur Montage freigegeben.
Heidelberg Wallbox-Produktion – die Montage
[08:42] Für die Montage einer Heidelberg Wallbox wurde ein eigenes Montageband konzipiert und hergestellt. Dieses Band sorgt für effektive sowie optimale Arbeitsabläufe. An diesem speziellen Montageband können alle Modelle der Heidelberg Wallboxen montiert werden.
In diesem Arbeitsschritt werden die Leiterplatten in den Gehäusen fix eingebaut. Die Mitarbeitenden bringen hier auch die 5 oder 7,5 m langen Ladekabel an den Leiterplatten an. Damit hier so wenig Fehlerpotential wie möglich vorhanden ist, werden die Montagemitarbeitenden von digitalen Arbeitsplänen sowie von automatisierten Schraubsystemen tatkräftig unterstützt. Über einen Strichcode werden alle verbauten Komponenten für die spätere Verfolgbarkeit und Transparenz erfasst.
Robert Sike ist ein neugieriger Zeitgenosse, der immer alles genau wissen will. Darum hat er Matthias Montag auch die Frage gestellt, warum sich die Kunden und Kundinnen für eine industriell erzeugte Wallbox, statt für ein Handwerksprodukt einer kleineren Wallbox-Manufaktur entscheiden sollten?
„Heidelberg bietet eine gute Qualität zu einem günstigen Preis und das ‚Made in Germany‘. Des Weiteren bietet die Heidelberg Wallbox eine einfache Installations- und Montagemöglichkeit. Das sind top Vorteile für den Elektroinstallateur vor Ort. Wir haben zudem ein Null-Fehler-Prinzip. Das heißt, alle Prozesse sind so ausgelegt, bei Fehler keine Toleranz zuzulassen und so eine hohe Prozessstabilität zu erzeugen“.
Das ist mehr als nur Marketing-Sprech. Keine der Wallboxen verlässt das Werk ohne einen MEHRFACHEN Funktionscheck. Die Funktionschecks werden nach jedem Prozessabschnitt immer wieder aufs Neue durchgeführt.
Das ist auch der Grund, warum jede Wallbox im Zuge der Endmontage durch ein halbautomatisches EOL-Prüfgerät (End Of Line) gecheckt wird. Das dient dazu, einen Fehler zu 100 % auszuschließen. Neben der Ladesimulation werden auch alle norm- und sicherheitsrelevanten Prüfungen durchgeführt. Zum Abschluss wird das Elektronikgehäuse mit einem Deckel versehen. Dort ist ein Sichtfenster für die leuchtenden LEDs angebracht.
Um jede Wallbox einwandfrei zuordnen zu können, erhält jede von ihnen ein einzigartiges Typenschild.
Jede Wallbox wird in einem speziellen Versandkarton mit Serienaufkleber verpackt. Im Karton befinden sich:
Die Wallboxkomponenten
Der mechanische Beipack
Die Montageanleitung
Das Befestigungsmaterial
Die Sicherheitshinweise
Die Kartonverpackung wurde eigens für Heidelberg konzipiert. Sie schützt den wertvollen Inhalt auch vor Schäden durch heftige Stöße.
Der Transport in das Regensburger Versandlager von energielösung erfolgt so ökologisch wie möglich. Immer 20 Wallboxen werden auf einer Euro-Palette platzsparend verpackt.
Heidelberg Wallbox-Produktion – das Fazit
[12:46] „Für mich persönlich war der Tag ein echtes Erlebnis. Mein Team und ich hätten gut und gerne noch zwei oder drei Tage länger vor Ort bei Heidelberg bleiben können“, erinnert sich Robert Sike in seiner freundlichen Art. Für ihn war es besonders interessant, in welchen Dimensionen Wallboxen „Made in Germany“ hergestellt werden.
„Die Freundlichkeit und die Motivation der Mitarbeiter, die mit voller Energie hinter dem stehen, was sie tun, spürt man einfach an jeder Stelle im Unternehmen. Mich hat diese Erfahrung zu einem richtigen Heidelberg-Fan gemacht“, resümiert Robert Sike mit einem zufriedenen Lächeln.
Am Ende des Besuchs bleibt festzuhalten, dass Heidelberg eine Fehlerquote von 0 % verspricht. Nach dem Besuch des energielösung-Teams vor Ort wirkt die Aussage besonders glaubhaft. Diese Glaubwürdigkeit spiegelt sich auch in der ökologischen Ausrichtung des Unternehmens wider. Die geringe Menge an verbautem Kunststoff kann man getrost als marginal beschreiben. Sogar bei den Klebestreifen der Versandboxen werden Papierstreifen verwendet.
„Zum einen haben wir eine sehr hohe Automatisierungsquote in unserer Produktion, zum anderen haben wir eine sehr direkte Nähe zur Entwicklung. Letztlich verfügen wir über ein sehr großes Know-how im Bereich der Leistungselektronik“.
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