Eines der wichtigsten Faktoren beim Elektroauto ist die Spannung. Doch welche Rolle und vor allem welchen Einfluss hat diese auf das System des Elektroautos? Welche Vor- und welche Nachteile ergeben sich bei den einzelnen Konzepten? Auf all diese Fragestellungen gehe ich in diesem Blogeintrag ein.

Die Systemspannung bei Elektroautos gibt an, welche maximale Spannung im Hochvoltsystem der Batterie anliegt. Von einem Hochvoltsystem spricht man, wenn Spannungen größer 60 Volt vorliegen. Aktuell sind bei den Herstellern Spannungen von bis 400 Volt üblich. Einige andere Hersteller wie zum Beispiel Hyundai und Porsche setzen bereits auf bis zu 800 Volt Systeme. Diese Spannungen dieser beiden Klassen von 400 bzw. 800 Volt liegen immer auf der Gleichstrom (DC) Seite vor.

Doch zunächst einmal, muss man sich in Bezug auf die Spannung vor Augen führen, welche Leistung damit erreicht werden kann. Die elektrische Leistung in Kilowatt (kW) ergibt sich aus Spannung (U Einheit Volt) und Stromstärke (A Einheit Ampere). Dies hat Auswirkungen auf viele Faktoren wie Wärme, (Lade)-leistung, Gewicht, Kosten und Effizienz.

Um die gleiche Leistung zu erhalten, müssen die Ströme höher sein, wenn die Spannung niedriger ist. Es soll eine Leistung mit 400 kW erreicht werden. Je nach anliegender Systemspannung, werden unterschiedliche Ströme benötigt um eine Leistung zu erreichen.

Damit die Spannungen in der Hochvoltbatterie realisiert werden können, werden die Zellen innerhalb eines Moduls in Reihe geschaltet. Die Spannung der einzelnen Zellen summiert sich dann zu der Gesamtspannung im Modul.

Diese Reihenschaltung wird dann auf Modulebene zu einer Parallelschaltung verbunden. Dabei ist zu beachten, dass in jedem parallelen Strang die gleiche Anzahl an Zellen in Reihe geschaltet sein muss.

Die Einzelnen Module werden dann innerhalb des Batteriepacks zur Hochvoltbatterie zusammengefasst. Daraus ergibt sich dann die Systemspannung der Hochvoltbatterie.

Die Spannung hat einen großen Einfluss auf die Wärme. Je höher die Ströme sind, desto höher ist auch die Wärmeentwicklung. Je höher die Spannung ist, desto weniger Strom muss eingesetzt werden um eine gewünschte Leistung zu erreichen.

Eine erhöhte Wärmeentwicklung erfordert auch eine Kühlung um die Komponenten im Elektroauto zu schützen und im optimalen Leistungsbereich zu halten. Damit das passieren kann muss wiederum Energie eingesetzt werden, das wiederum die Effizienz beeinträchtigt.

Ein weiterer Aspekt liegt in der Haltbarkeit der Komponenten. Hohe Temperaturen schaden nicht nur der Batterie, sondern auch den Kabeln, Steckern und der Elektronik wie auch dem Elektromotor.

Der offensichtlichste Vorteil ist die Erhöhung der möglichen Leistung. Dies bezieht sich nicht nur auf die Dauerleistung des Elektromotors, sondern ist auch besonders beim Laden mit Gleichstrom wichtig. Da die HPC Ladesäulen auf eine maximale Stromstärke von 500 Ampere begrenzt sind, lassen sich höhere Ladeleistungen nur durch eine Erhöhung der Systemspannung realisieren. Somit kann die Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs in kürzerer Zeit geladen werden. Dieser Vorteil ist vor allem auf der Langstrecke von Bedeutung.

Höhere Ströme gehen mit einer Erhöhung des Querschnitts der Kabel einher. Dies bedeutet, dass das Gewicht der verbauten Kabel logischerweise steigt und somit auch das Fahrzeuggewicht zunimmt. Deshalb wird bei den aktuell auf dem Markt befindlichen Fahrzeugen die Systemspannung von 400 Volt oder 800 Volt gewählt.

Die höheren Spannungen erlauben Kostenvorteile in Bezug auf die Energieverteilung. Eine Einsparung auf Seite der Energieverteilung bedeutet, dass bei Themen wie dem Kabelquerschnitt oder auch bei den Steckverbindungen eingespart werden kann.

Aus Sicht der Batterie sind niedrigere Spannungen besser, da die Zellverbindungen niedrig gehalten werden können und deshalb die Kosten geringer ausfallen. Dies ermöglicht auch eine einfachere Realisierung des Batteriemanagementsystems (BMS)

Die Kosten werde aktuell eher davon getrieben, dass die Komponenten die auf dem Markt vorhanden sind, für Spannungen für 400 Volt ausgelegt sind. Eine darüber hinausgehende Spannungsarchitektur muss somit erst noch entwickelt, abgestimmt und natürlich auch standardisiert werden.

Bei der Effizienz sind die höheren Spannungen im Vorteil. Wie bereits beim Thema Wärme erläutert, benötigt eine höhere Spannung niedrigere Strömung. Zusätzlich ergeben sich niedrigere Wandlungsverluste. Außerdem werden die Leitungen bei niedrigeren Stromstärken weniger beansprucht.

Vor allem in anspruchsvollen Bereichen in denen höhere Leistungen benötigt werden, zahlt sich eine hohe Systemspannung aus.

Wenn man die Spannungsebene betrachtet, ergibt sich die logische Konsequenz, dass noch höhere Leistungen und bessere Performance durch Erhöhung der Spannung realisiert werden kann. Bereits das Elektroauto Start-Up Lucid Motors nutzt eine Systemspannung von 900 Volt. Auch Vorreiter Porsche hat an seinem Mission R Konzept eine Spannung von 900 Volt angekündigt. Nach aktuellem Stand dürfte man allerdings bei Personen-Elektroautos keine höheren Spannungen erwarten, da die Ladegeschwindigkeit sehr stark von der Batteriekapazität bestimmt wird.

Neben dem PKW-Bereich haben auch die Hersteller großer Lastkraftwagen die Elektrifizierung ihrer Flotten angekündigt. Um auch auf der Langstrecke nicht nur effizient sondern besonders schnell laden zu können, werden für das sogenannte Megawattladen Systemspannungen von mehr als 1.000 Volt notwendig sein. Das Megawattladen befindet sich aktuell noch im Aufbau.

Der Hochlauf der Elektromobilität erfordert auch die Entwicklung neuer Komponenten. So verhält es sich auch beim Thema Elektro Spannung der Hochvotltechnik von Elektroautos. Dies ist notwendig um für jedes einzelne Anwendungsfeld die notwendigen Leistungen in Bezug auf Fahrdynamik, Ladegeschwindigkeit und Effizienz zu ermöglichen. Die Technik die heute Spannungen von 800 Volt ermöglichen und im oberen Preissegment oder sogar im Premiumsegment liegen, setzen sich erst nach und nach durch. Jedoch war es mit technischen Innovationen schon immer so – von der Oberklasse mit der Zeit und Skaleneffekten in die Masse!