Grundlagen

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Im Folgenden werden die wichtigsten physikalischen Größen und Einheiten sowie elektrotechnische Grundlagen im Zusammenhang mit der Elektromobilität erläutert.

Größen und Einheiten

Elektrische Spannung   U 

Die elektrische Spannung ist der Antrieb des elektrischen Stroms. Sie wird in Volt (V) gemessen. Eine Spannung liegt immer zwischen zwei Punkten an, z.B. sind das 1,5 V zwischen den Polen einer (vollen) handelsüblichen Mignon-AA-Batterie. Man spricht auch von einer Potentialdifferenz. An einer europäischen Haushaltssteckdose liegen 230 V an (dazu später mehr). Der Akku von Elektrofahrzeugen hat je nach Modell eine Nennspannung von 300 bis 1000 Volt.

Stromstärke   I 

Sobald an eine Spannungsquelle ein „Verbraucher“ angeschlossen wird und der Stromkreis geschlossen ist, fließt ein elektrischer Strom. Die elektrische Stromstärke wird in Ampere (A) gemessen und gibt sozusagen an, wie viele Elektronen pro Sekunde durch eine Leitung wandern. Es fließen immer genauso viele Elektronen aus dem einen Pol der Spannungsquelle heraus wie in den anderen Pol wieder hineinfließen.

Von der hindurchfließenden Stromstärke hängt ab, wie dick eine Leitung dimensioniert sein muss. In der Hausinstallation wird für Schukosteckdosen-Stromkreise normalerweise ein Leitungsquerschnitt von 1,5 mm² verwendet, worüber bis zu 16 A fließen können. Im Verteilerkasten sind Sicherungen untergebracht, welche den Stromkreis unterbrechen, wenn mehr als 16 A fließen, damit die Leitungen nicht überhitzen (daher heißen die Sicherungsautomaten auch Leitungsschutzschalter).

Elektrische Leistung   P 

P = U ⋅ I

Multipliziert man die Spannung mit der Stromstärke, erhält man die elektrische Leistung in Watt (W). Werden an einer 230-Volt-Elektroinstallation beispielsweise 16 A entnommen, entspricht dies einer elektrischen Leistung von 230 V ⋅ 16 A = 3680 W.

Einheitenvorsätze / Präfixe

Symbol Wert
T Tera Billion 1012 1.000.000.000.000
G Giga Milliarde 109 1.000.000.000
M Mega Million 106 1.000.000
k Kilo Tausend 103 1.000
c Zenti Hundertstel 10−2 0,01
m Milli Tausendstel 10−3 0,001
µ Mikro Millionstel 10−6 0,000001

Statt 3680 W ist meist von 3,7 kW (Kilowatt) die Rede. Der Einheitenvorsatz „k“ steht wie bei Kilogramm für Tausend und kann vor alle physikalischen Einheiten gesetzt werden (Hinweis: Das „k“ wird grundsätzlich klein geschrieben!).
Der Einheit kW begegnet man als Elektroautofahrer ständig, denn sie gibt die Ladeleistung von Ladesäulen an und sagt somit etwas darüber aus, wie lange man für einen Ladevorgang benötigt.
Die Tabelle rechts gibt einen Überblick über häufig verwendete Präfixe.

Elektrische Arbeit / Energie   E 

E = P ⋅ t

Multipliziert man die elektrische Leistung eines „Verbrauchers“ mit seiner Betriebszeit in Stunden, erhält man die aufgenommene elektrische Energie in Wattstunden (Wh). Deutlich geläufiger ist die Einheit Kilowattstunden (kWh). Beispiel: Wenn ich einen Heizlüfter mit einer Leistung von 2000 W drei Stunden laufen lasse, wandelt er in dieser Zeit 6000 Wh elektrische Energie in Wärmeenergie um, also 6 kWh.

Die Einheit kWh ist bei der Elektromobilität von entscheidender Bedeutung, denn damit wird die Energie angegeben, die der Akku eines E-Autos speichern kann. Und diese bestimmt wiederum über die Reichweite des Autos. Meist ist hierbei von der „Akkukapazität“ die Rede, obwohl dies physikalisch nicht ganz korrekt ist. Die korrekte Einheit für die Kapazität eines Akkus wäre Amperestunden (Ah), doch diese wäre abhängig von der Spannung. Für eine bessere Vergleichbarkeit wird daher die Einheit kWh verwendet.

Wichtig: Anders als bei der Geschwindigkeit, die üblicherweise in km/h (Kilometer pro Stunde) angegeben wird, sind es hier kWh (Kilowattstunden)! Die Einheit kW/h (Kilowatt pro Stunde) gibt es nicht, auch wenn sie fälschlicherweise noch so oft verwendet wird!

kW oder kWh?

Leider werden die Einheiten für die Leistung und die für die Energie(menge) häufig durcheinandergebracht. Daher nochmal 😉:
Die Einheit kW (Kilowatt) gibt eine Leistung an, z.B. mit welcher Stärke der Fahrzeugakku aktuell geladen oder entladen wird.
Die Einheit kWh (Kilowattstunden) gibt eine Energiemenge an, wie z.B. den Jahresstromverbrauch eines Hauses oder die Strommenge, die in einen Akku geladen wurde. Der Verbrauch eines Elektrofahrzeugs wird meist in kWh/100 km angegeben (Kilowattstunden pro 100 Kilometer).

Hier ein technisch nicht ganz richtiger, aber einfach zu merkender Vergleich:
Die Energiemenge kWh gibt an, wie viel Wasser sich insgesamt in einem See befindet. Die Leistung in kW gibt an, wie stark z.B. der Zustrom eines Baches in den See ist. Je größer die Leistung in kW und je länger diese anliegt (Stunden), desto größer ist am Ende auch die Menge Wasser im See (kWh).

Gleichstrom und Wechselstrom

Batterien und Akkus haben immer einen Pluspol und einen Minuspol. Schließt man einen elektrischen „Verbraucher“ an, fließt Strom vom Pluspol durch diesen „Verbraucher“, wandelt dort elektrische Energie in eine oder mehrere andere Energieformen um und fließt durch den Minuspol zurück in die Batterie oder den Akku*. Da der Strom in diesem Fall immer in die gleiche Richtung fließt, spricht man von Gleichstrom. Die Abkürzung für Gleichstrom lautet DC von engl. direct current.

Beim Wechselstrom hingegen ändert sich die Richtung (Polung) des Stroms periodisch. In der elektrischen Energieversorgung (also im Stromnetz) wird sinusförmiger Wechselstrom verwendet, da dieser sehr einfach von Generatoren erzeugt und von Transformatoren in andere Spannungen umgewandelt werden kann (zum Transport über weite Distanzen ist nämlich eine möglichst hohe Spannung nötig). Im europäischen Stromnetz haben wir eine Wechselspannung von 230 V, die mit einer Netzfrequenz von 50 Hz (Hertz), also 50 mal pro Sekunde, oszilliert. Die Abkürzung für Wechselstrom lautet AC von engl. alternating current.

Wechselstrom Gleichstrom Diagramm.png

Dreiphasiges Stromnetz

In Europa haben wir Stromnetze mit Dreiphasenwechselstrom, auch Drehstrom genannt. Hierbei sind drei einzelne Wechselströme gleicher Frequenz zueinander um eine Drittelperiode (120°) verschoben. Diese drei „Phasen“ werden als Außenleiter bezeichnet und mit L1, L2 und L3 abgekürzt.

Dreiphasenwechselstrom Diagramm.png

Der sogenannte Sternpunkt der drei Phasen ist geerdet und wird mit einem Neutralleiter N verbunden. Durch diesen fließt bei gleichmäßiger Belastung der drei Außenleiter kein Strom, bei ungleichmäßiger Belastung lediglich ein Strom, der sich aus der (vektoriellen) Addition der Einzelströme ergibt.

Fünfadriges Drehstrom-Anschlusskabel (Adern L1, L2, L3, N und PE)
Dreiadriges Anschlusskabel für einphasigen Wechselstrom (Adern L, PE und N), z.B. für Haushaltssteckdosen

Ein dreiphasiger Stromanschluss besteht also aus vier Leitungen: Den drei Außenleitern und dem Neutralleiter.

Daneben gibt es noch den Schutzleiter, der der Sicherheit von Lebewesen bei der Benutzung elektrischer Geräte dient. Er ist geerdet, wird mit PE (von engl. protective earth) abgekürzt und mit den Farben grün-gelb gekennzeichnet. Bei Elektrogeräten der Schutzklasse I sind alle berührbaren metallenen Teile mithilfe des Schutzleiters mit der Erde verbunden, sodass im Fehlerfall ein Stromfluss durch den (menschlichen) Körper gegen Erde verhindert wird.

Normale Haushaltssteckdosen (z.B. in Deutschland und Österreich Schuko) sind nur einphasig, das heißt, neben dem Neutralleiter und dem Schutzleiter ist nur einer der drei Außenleiter vorhanden. Dies kann L1, L2 oder L3 sein, meist wird daher einfach mit L abgekürzt.
Einige wenige große Stromverbraucher in unseren Häusern sind dreiphasig angeschlossen, z.B. Elektroherde und Warmwassergeräte.

230 oder 400 Volt?

Die Spannung zwischen dem Neutralleiter und einem der drei Außenleiter beträgt jeweils 230 V, dies ist dementsprechend auch die Spannung, die an Haushaltssteckdosen anliegt.

Die Spannung zwischen zwei (beliebigen) Außenleitern beträgt 400 V; diese lässt sich errechnen aus 230 V ⋅ √ ̅3̅ .
Sehr häufig ist daher im Zusammenhang mit Dreiphasenwechselstrom der Wert 400 V zu lesen. Trotzdem könnte man an jede der drei Phasen einen 230-Volt-Verbraucher anschließen.

Anschlussleistung berechnen

Die Anschlussleistung eines Stromanschlusses ergibt sich aus der Spannung sowie der zur Verfügung stehenden Stromstärke (siehe oben: Abschnitt „Elektrische Leistung P“). Bei einphasigem Anschluss ist die Berechnung also ganz einfach:

P = 230 V ⋅ I

Beträgt die mögliche entnehmbare Stromstärke beispielsweise 20 A, so liegt die Anschlussleistung bei 4,6 kW:

P = 230 V ⋅ 20 A = 4600 W = 4,6 kW

Aber wie berechnet sich die Anschlussleistung eines dreiphasigen Stromanschlusses? Man multipliziert einfach die einphasige Anschlussleistung mit der Anzahl der Phasen!

P = 230 V ⋅ I ⋅ Phasenanzahl

Bei einem dreiphasigen Stromanschluss mit einer möglichen entnehmbaren Stromstärke von 16 A läge die Anschlussleistung z.B. bei 11 kW:

P = 230 V ⋅ 16 A ⋅ 3 = 11040 W ≈ 11 kW

Schieflast

Die Betreiber der Stromnetze haben ein Interesse daran, dass alle drei Phasen stets möglichst gleichmäßig belastet werden, da es sonst zu Energieverlusten und sogar Schäden an z.B. Transformatoren kommen kann. Bei einer ungleichmäßigen Belastung spricht man von Schieflast.

Eine gleichmäßige Lastverteilung wird beispielsweise dadurch sichergestellt, indem die einzelnen einphasigen Stromkreise eines Hauses oder einer Wohnung auf die einzelnen Außenleiter gleichmäßig aufgeteilt werden. Auch wenn dabei nicht pro Haus oder Wohnung eine vollständige Symmetrierung sichergestellt ist – dies ist unter anderem vom momentanen Verbrauch in den einzelnen einphasigen Stromkreisen abhängig – ist die Symmetrierung über eine Region und größeres Versorgungsgebiet meist gut erfüllt.

In Deutschland gibt es zur Vermeidung von Schieflast außerdem die Vorschrift, dass einphasige Stromverbraucher eine maximale Anschlussleistung von 4,6 kW (20 A) haben dürfen. Höhere einphasige Anschlussleistungen sind nur mit Genehmigung erlaubt.


Fußnote:
* Hier wurde die technische Stromflussrichtung zugrunde gelegt – die Flussrichtung der (negativ geladenen) Elektronen ist genau umgekehrt.