ADAC-Test Wo beim Laden von Elektroautos die Energie verloren geht

Wer ein E-Auto mit wenig Leistung lädt, verschwendet oft mehr Energie als gedacht. Der ADAC hat die Verluste gemessen – mit einem überraschenden Ergebnis.

Beim AC-Laden können die relativen Energieverluste bei niedriger Ladeleistung deutlich steigen. Der Wirkungsgrad des On-Board-Chargers erklärt das nur teilweise. Erst der Blick auf das gesamte Fahrzeug zeigt, warum eine höhere Ladeleistung unter bestimmten Bedingungen sogar Energie spart.

Der ADAC hat für seine Untersuchung fünf Elektrofahrzeuge unter unterschiedlichen AC-Ladebedingungen vermessen: an der Haushaltssteckdose mit 2,3 kW, an einer Wallbox mit gedrosselter Leistung von 4,1 kW zur Simulation von PV-Überschussladen sowie mit der jeweils maximal möglichen Leistung von 11 und 22 kW. Um Einflüsse durch Zellbalancing und starke Batterietemperierung gering zu halten, maß der Verein zwischen 10 und 90 Prozent Ladestand bei anfänglichen Batterietemperaturen von 20 bis 30 Grad Celsius.

Die Unterschiede fallen deutlich aus: An der Haushaltssteckdose ermittelte der ADAC Verluste zwischen 12,7 und 24,2 Prozent. Bei 4,1 kW lagen sie zwischen 8,0 und 12,8 Prozent. An der Wallbox mit 11 und 22 kW sanken sie auf Werte zwischen 5,1 und 7,0 Prozent.

Daraus ergibt sich eine leistungselektronisch interessante Frage: Warum steigen die relativen Verluste ausgerechnet dann, wenn das Fahrzeug mit geringer Leistung lädt?

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Der On-Board-Charger ist nur ein Teil der Verlustkette

Beim AC-Laden wandelt der On-Board-Charger die Netzspannung in eine für die Hochvoltbatterie geeignete Gleichspannung um. Dabei entstehen zwangsläufig Verluste. Hinzu kommen Verluste in Kabeln, Steckverbindungen und der Batterie selbst.

Das erklärt den starken Anstieg der relativen Verluste bei niedriger Ladeleistung jedoch nicht vollständig. Entscheidend ist: Während des Ladevorgangs bleiben weitere Fahrzeugsysteme aktiv. Steuergeräte überwachen den Ladevorgang, Kommunikation und Batteriemanagement laufen weiter, auch das 12-Volt-Bordnetz benötigt Strom. Der ADAC bezifferte diesen Leistungsbedarf auf etwa 100 bis 300 Watt.

Damit entsteht neben den leistungsabhängigen Verlusten eine zweite Komponente, die sich näherungsweise als Grundlast betrachten lässt. Vereinfacht ergibt sich die Verlustleistung als Summe mehrerer Anteile:

Dabei steht P_V für die Verlustleistung, P₀ für die während des Ladens benötigte Grundlast des Fahrzeugs, P_OBC beschreibt die Verluste des On-Board-Chargers, während P_Leitung und P_Batterie die Verluste in Leitungen beziehungsweise Batterie zusammenfassen.

Gerade P₀ verändert die Betrachtung entscheidend: Eine weitgehend konstante Verlustleistung fällt umso stärker ins Gewicht, je geringer die übertragene Ladeleistung ausfällt.

250 Watt bedeuten nicht immer 250 Watt

Ein einfaches Beispiel verdeutlicht das: Benötigen Fahrzeugelektronik und Nebenverbraucher während des Ladens konstant 250 Watt, entsprechen diese bei einer Ladeleistung von 2,3 kW bereits mehr als zehn Prozent der übertragenen Leistung. Bei 11 kW sind es nur noch gut zwei Prozent.

Noch entscheidender ist die Zeit. Soll dieselbe Energiemenge in die Batterie fließen, dauert der Ladevorgang bei geringer Leistung deutlich länger. Eine Grundlast von 250 Watt über zehn Stunden verbraucht 2,5 kWh. Dauert der Ladevorgang nur zwei Stunden, sinkt dieser Energiebedarf auf 0,5 kWh.

Zwar können die Verluste im eigentlichen Leistungspfad steigen, wenn höhere Ströme fließen. Für das Gesamtsystem bedeutet das aber nicht automatisch einen schlechteren Wirkungsgrad – der geringere Energiebedarf der zeitabhängigen Nebenverbraucher kann diesen Effekt überkompensieren.

Genau hier liegt der wesentliche Unterschied zwischen dem Wirkungsgrad eines Wandlers und der Energieeffizienz eines vollständigen Ladevorgangs. Ein On-Board-Charger besitzt eine Wirkungsgradkennlinie über seiner Ausgangsleistung. Das Fahrzeug dagegen hat zusätzliche Verbraucher, deren Energiebedarf von der Dauer des Ladevorgangs abhängt.

Warum PV-Laden einen Zielkonflikt erzeugt

Besonders interessant wird dieser Zusammenhang beim PV-Überschussladen. Energetisch erscheint es zunächst sinnvoll, die Ladeleistung des Fahrzeugs an die gerade verfügbare Solarleistung anzupassen – statt Strom ins Netz einzuspeisen, speichert das Fahrzeug ihn direkt.

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Aus Sicht des Ladeprozesses kann eine starke Leistungsreduzierung jedoch ungünstig sein. Der ADAC simulierte diesen Fall mit einer dreiphasigen Ladeleistung von 4,1 kW. Die gemessenen Verluste lagen zwischen 8,0 und 12,8 Prozent – höher als beim Laden mit voller Wallbox-Leistung.

Damit treffen zwei Optimierungsziele aufeinander: Einerseits soll möglichst viel lokal erzeugte Energie direkt genutzt werden. Andererseits steigt bei niedriger Ladeleistung der relative Anteil der permanent benötigten Fahrzeugleistung.

Das bedeutet nicht, dass PV-Überschussladen grundsätzlich unsinnig wäre. Entscheidend ist vielmehr, welche Systemgrenze man betrachtet. Wer nur den Wirkungsgrad zwischen Wallbox und Batterie im Blick hat, kommt zu einem anderen Ergebnis als jemand, der Eigenverbrauch, Netzeinspeisung und Strombezug in die Gesamtbilanz einbezieht.

Auch die Hausinstallation gehört zum System

Bei der Haushaltssteckdose kommt ein weiterer Verlustmechanismus hinzu: die elektrische Zuleitung. Sie kann besonders bei langen Leitungswegen oder älteren Installationen einen relevanten Beitrag leisten. Der ADAC weist darauf hin, dass auch Verluste in der Hausinstallation in die Rechnung gehören. Die Verluste in Ladekabel, fahrzeugseitigen Hochvoltkabeln und Batterie fielen bei den untersuchten AC-Ladevorgängen dagegen vergleichsweise gering aus.

Eine Wallbox verbessert deshalb nicht nur Sicherheit und Ladeleistung. Ihre passend dimensionierte Zuleitung reduziert zugleich die Leitungsverluste. Hinzu kommt die kürzere Ladezeit: Der ADAC führt die geringeren Gesamtverluste beim Wallbox-Laden vorwiegend darauf zurück, dass die Fahrzeugelektronik kürzer laufen muss.

Für das AC-Laden zeigt sich damit ein relativ klares Bild: Unter den untersuchten Bedingungen sinken die relativen Gesamtverluste mit steigender Ladeleistung deutlich. Beim Schnellladen verändert sich die Verlustbilanz dagegen grundlegend.

Beim DC-Laden wandert der Wandler aus dem Fahrzeug

Beim DC-Schnellladen übernimmt nicht mehr der On-Board-Charger die AC/DC-Wandlung – das passiert bereits in der Ladesäule. Das Fahrzeug erhält direkt eine Gleichspannung, die über Lade- und Sicherheitstechnik an die Hochvoltbatterie weitergeht.

Damit verschiebt sich auch die Systemgrenze. Der ADAC ermittelte für die Umwandlung in der Schnellladesäule durchschnittliche Verluste von rund drei Prozent. Bei hohen Ladeleistungen gewinnt dafür ein anderer Faktor an Bedeutung: die Batterietemperatur.

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Lithium-Ionen-Zellen nehmen hohe Ladeleistungen nur innerhalb bestimmter Temperaturbereiche auf. Ist die Batterie zu kalt, muss sie sich erwärmen. Wird sie zu warm, braucht es Kühlung. Beide Prozesse verbrauchen Energie, die nicht in den Zellen landet.

Bei den ADAC-Messungen verursachte allein das Aufheizen der Batterie zusätzliche Energieverluste von zwei bis acht Prozent. Insgesamt lagen die ermittelten Energieverluste beim DC-Laden je nach Bedingungen zwischen fünf und 15 Prozent.

Vorkonditionierung verschiebt den Energieverbrauch

Damit entsteht beim Schnellladen ein weiterer interessanter Effekt. Moderne Elektrofahrzeuge können ihre Batterie bereits während der Fahrt zu einer Schnellladestation vorkonditionieren. So erreicht der Akku die für hohe Ladeleistungen günstige Temperatur schon vor dem Ladestopp – das verkürzt die Ladezeit. Aus der Energiebilanz verschwindet dadurch aber nichts.

Der ADAC weist darauf hin: Das Aufwärmen während der Fahrt reduziert zwar den zusätzlichen Heizbedarf an der Ladesäule, steigert aber den Energieverbrauch des Fahrzeugs auf dem Weg dorthin entsprechend. Vorkonditionierung spart primär Zeit – nicht zwangsläufig Energie.

Gerade daran zeigt sich, wie stark das Ergebnis von der gewählten Systemgrenze abhängt. Wer nur die Energie zwischen Ladesäule und Batterie betrachtet, kann ein vorkonditioniertes Fahrzeug für sehr effizient halten. Wer die Energie für die vorherige Temperierung einbezieht, kommt zu einem anderen Bild.

Der höchste Wandlerwirkungsgrad ist nicht das Systemoptimum

Die Messungen zeigen ein grundsätzliches Problem bei der Bewertung von Ladeverlusten: Eine einzelne Wirkungsgradangabe beschreibt nur einen Betriebspunkt oder einen Teil des Systems. Für die tatsächlich benötigte Energie müssen Leistung, Betriebsdauer, Nebenverbraucher, Leitungsverluste und Thermomanagement zusammen in die Rechnung.

Beim AC-Laden dominieren bei niedriger Leistung zunehmend zeitabhängige Verluste. Eine höhere Ladeleistung verkürzt die Betriebszeit der Fahrzeugelektronik und kann so die Gesamtverluste senken. Beim DC-Schnellladen verliert der fahrzeugseitige AC/DC-Wandler dagegen an Bedeutung – Batterietemperatur und Thermomanagement rücken stärker in den Vordergrund. Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht, ob langsames oder schnelles Laden grundsätzlich effizienter ist, sondern: Welche Verluste steigen mit der Leistung, welche mit der Zeit?

Genau daraus ergibt sich das eigentliche Optimierungsproblem. Für eine hohe Gesamteffizienz muss ein Ladesystem nicht nur seinen Leistungspfad möglichst verlustarm betreiben. Es muss auch verhindern, dass Hilfssysteme über lange Zeit Energie verbrauchen. Der energetisch günstigste Betriebspunkt eines Elektroautos liegt deshalb dort, wo Wandlungs-, Leitungs- und Batterieverluste einerseits sowie zeitabhängige Nebenverbraucher und Thermomanagement andererseits gemeinsam ihr Minimum erreichen. (sp)

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