Ladeverluste zu Hause: Level 1 vs. Level 2 und Kälte

Die energetische Bilanzgrenze reicht vom Hausstromzähler bis zur zusätzlich gespeicherten nutzbaren Batterieenergie. Die Netzwirkleistung beträgt $VI,PF$, die Leitungsverluste betragen $I^2R_w$, und die EVSE-Elektronik wird getrennt bilanziert. Der tatsächliche AC-Strom sinkt, wenn die Bemessungsleistung des Bordladegeräts, die Ladestromaufnahme der Batterie oder die Ladestromabsenkung den Leistungsbedarf begrenzen.

Mit $x=P_{AC}/P_r$ betragen die Verluste des Bordladegeräts $P_r(f_0+f_1x+f_2x^2)+delta_1P_{AC}$; $delta_1$ gilt nur für Level 1. Die Standardkoeffizienten wurden an 22 Messpunkte aus TI PMP22650/TIDT249 (September 2021), Abschnitt 3.4, gedruckte S. 9, bei etwa 240 V Eingangsspannung, 350 V Ausgangsspannung und 20 °C Kühlmitteltemperatur angepasst; die beiden Referenzmesspunkte wurden dabei ausgeschlossen. Die Prüfungen anhand dieser nicht zur Anpassung verwendeten Punkte lassen einen relativen Wirkungsgradfehler von 0,7 % zu. Die gemessene Kennlinie berücksichtigt keine externe 12 V-Hilfsversorgung; deren DC-äquivalenter Leistungsbedarf ist in der eingegebenen Fahrzeug-Grundlast enthalten.

Für das Batteriepack gelten $U_{oc}=V_n(0.9+0.2s)$ und $R_b=R_{20}exp[beta(20-T)]{1+(2s-1)^2}$. In jedem Schritt ergibt sich der Batteriestrom aus der stabilen positiven Lösung von $P_b=U_{oc}I_b+R_bI_b^2$. Der aufgenommene Strom ist der kleinere Wert aus dem durch die verfügbare Leistung möglichen Strom und der Ladestromgrenze des warmen Batteriepacks. Diese Grenze wird zwischen der Mindestladetemperatur und der Solltemperatur der Batterieheizung linear temperaturabhängig reduziert; oberhalb des gewählten Ladezustands erfolgt eine lineare Ladestromabsenkung bis zu einem endlichen Stromanteil bei Ladeende. Für den Anteil der gespeicherten Energie gilt $dot s=U_{oc}I_b/E_{usable}$.

Die Heizung hat Vorrang vor dem Laden; es gilt $K_h=C_{th}/(900,mathrm{s})$. Ihre angeforderte Leistung beträgt $max[0,K_h(T_{set}-T)+G(T-T_a)]$ und wird durch die maximale Heizleistung und die verfügbare DC-Leistung begrenzt. Die thermische Dynamik wird durch $C_{th}dot T=P_h+I_b^2R_b-G(T-T_a)$ beschrieben. Das Mittelpunktverfahren integriert Energieanteil und Temperatur, summiert sämtliche Energieflüsse mit derselben Quadratur und verkürzt den letzten Schritt beim Erreichen des Ziels. Sowohl die elektrische als auch die thermische Bilanz werden geprüft.

Für die Jahreskosten wird die gewichtete Netzenergie der kalten Ladevorgänge und der Referenzladevorgänge mit dem Quotienten aus jährlich gespeicherter Energie und dem exakt angeforderten positiven Speicherenergiezuwachs je Ladevorgang skaliert. Jeder berücksichtigte warme Ladevorgang muss abgeschlossen werden, auch bei einem gesondert gewählten Strom. Die C-Rate ist der Batteriestrom geteilt durch die Nenn-Ladungskapazität in Ah, $E_{usable}/V_n$. Kieldsen et al. (2016), Abschnitt 3.4, stützt die getrennte Betrachtung von Batterie- und Nebenverbraucherverlusten. Anders als bei den Stichprobenmittelwerten in deren Gleichungen 4–5 ist der Wirkungsgrad eines Ladevorgangs hier das Verhältnis integrierter Energien einschließlich der Ladestromabsenkung.

Die häusliche Versorgung ist einphasig, mit konstanter Netzspannung als Effektivwert, konstantem Leistungsfaktor und konstantem Schleifenwiderstand bei Betriebstemperatur. Die EVSE-Elektronik wird an der Bilanzgrenze am Zähler versorgt. Die Batterieheizung ist eine Widerstandsheizung mit vollständiger Umwandlung elektrischer Energie in Wärme; eine Wärmerückgewinnung aus dem Bordladegerät wird nicht berücksichtigt.

Das Batteriepack wird als einzelner thermischer Knoten mit einheitlicher Zelltemperatur modelliert. SOC bezeichnet den Anteil der gespeicherten nutzbaren Energie, nicht einen durch Coulomb-Zählung exakt bestimmten Zellladezustand. Batteriepackwiderstand, Wärmekapazität, Wärmeleitwert, Temperaturkoeffizient, Spannungskennlinie und BMS-Ladestromfreigabe sind einstellbare Beispielannahmen, keine Kalibrierung eines Serienfahrzeugs. Konstante und quadratische Verluste des Bordladegeräts skalieren mit der Bemessungsleistung; die Übertragung einer Prüfkennlinie für 7 kW auf eine andere Bemessungsleistung ist eine Annahme.

Der zusätzliche Level-1-Verlustanteil ist standardmäßig null. Die Volt-Ergebnisse von INL aus dem Jahr 2012 vergleichen sowohl unterschiedliche Leistungen als auch unterschiedliche Spannungen und erlauben daher keine Bestimmung eines allgemeingültigen, ausschließlich spannungsbedingten Zusatzverlusts. Legen Sie einen zusätzlichen Verlustanteil nur anhand geeigneter Messungen fest. Das Laden endet beim Ziel-Ladezustand; Balancing-Phasen, Standzeiten bei hohem Ladezustand, Innenraumheizung und anschließender Standby-Verbrauch werden nicht berücksichtigt. Warme Referenzladevorgänge beginnen bei 20 °C Außentemperatur und Batteriepacktemperatur.

Für den Vergleich von AC-Ladeszenarien zu Hause; keine fahrzeugspezifische Prognose von Reichweite oder Batterielebensdauer und kein Installationsnachweis. Die TI-Kennlinienanpassung beruht auf Prüfungen bei 240 V Eingangsspannung, 350 V DC Ausgangsspannung und 20 °C Kühlmitteltemperatur; andere Bemessungsleistungen, der Betrieb bei 120 V, sehr geringe Lasten und andere Batteriepackspannungen sind Extrapolationen. Die Koeffizienten und die optionale Level-1-Korrektur sollten anhand gemessener Fahrzeugdaten kalibriert werden. Die Kennlinienprüfungen validieren ausschließlich das Wandlungsteilsystem, keine vollständigen winterlichen Ladevorgänge.

Die Integrationsschritte betragen standardmäßig höchstens 60 s und werden für die Temperaturregelung, kurze Ladevorgänge und das Erreichen des Ziels verkürzt; Netzenergie und Ladezeit im Kältefall werden mit Ergebnissen bei 30 s Schrittweite verglichen. Die dargestellten Kurven verwenden eine formerhaltende Interpolation der berechneten Stützstellen mit 241 Darstellungspunkten je Ladeverlauf; das Schema interpoliert den gewählten Ladeverlauf linear. Die Integration endet nach sieben Tagen oder bei einem thermischen Gleichgewicht ohne Ladefortschritt. Kann ein Ladevorgang bei den eingegebenen Temperaturen oder eine berücksichtigte Jahresreferenz bei 20 °C das Ziel nicht erreichen, werden keine Ergebnisse ausgegeben und die Eingaben müssen geändert werden. Warme Referenzen werden nur dann von der Abschlussprüfung ausgeschlossen, wenn der Anteil kalter Ladevorgänge 100 % beträgt. Die jährliche Ladevorgangszahl ergibt sich aus der jährlich gespeicherten Energie geteilt durch den exakten positiven Energiezuwachs je Ladevorgang; der Nenner wird nicht durch einen Mindestwert begrenzt.

Das Batteriepackmodell berücksichtigt weder Entropiewärme noch räumliche Temperaturunterschiede, Kapazitätsänderungen, detaillierte Elektrochemie oder aktive Kühlung. Eine bedingte Meldung weist auf Temperaturen über 45 °C hin, da solche Fälle ein Kühlmodell erfordern. BMS-Abschaltschwelle und Ladestromabsenkung sind angenommene Regelungsfunktionen, keine Ladeanweisungen für Zellen. Aus maximaler Zelltemperatur im Ein-Knoten-Modell, Strom und Ladezeit oberhalb von 90 % lässt sich kein prozentualer Batterieverschleiß ableiten. Elektrische Verluste werden zu Wärme; Heizenergie kann vorübergehend als fühlbare Wärme im Batteriepack gespeichert bleiben und zählt nicht zur nutzbaren Batterieenergie.

Die Terminologie nach SAE J1772 folgt den US-amerikanischen AC-Ladestufen gemäß der Zusammenfassung von DOE AFDC; dieser Rechner setzt keine Dimensionierungsregeln aus Installationsvorschriften um. Strompreise werden vom Nutzer eingegeben; der beispielhafte Standardwert hat den Stand vom 6. November 2026.