Ladeverluste beim bidirektionalen Laden: Ursachen, Ausmaß und Empfehlungen
Wie hoch sind die Ladeverluste beim bidirektionalen Laden? Sind sie höher als beim normalen, unidirektionalen Laden? Und macht es einen Unterschied, ob das Elektroauto bidirektional mit AC oder DC geladen wird?
Die Antwort ist komplexer als beim herkömmlichen Laden. Beim unidirektionalen Laden wird Energie einmal von der Stromquelle in die Batterie übertragen. Beim bidirektionalen Laden kann die gespeicherte Energie anschließend wieder aus der Batterie entnommen und zum Haus, Gebäude oder Stromnetz zurückgeführt werden.
Dadurch entstehen Verluste auf beiden Wegen. Für V2G, V2H und V2X ist deshalb nicht nur der reine Ladeverlust interessant, sondern vor allem der Round-Trip-Wirkungsgrad des gesamten Lade- und Entladevorgangs.
Ladeverluste beim bidirektionalen Laden auf einen Blick
Die wichtigsten Punkte:
- Bidirektionales Laden verursacht Verluste beim Laden und Entladen.
- Beim vollständigen Lade- und Entladezyklus ist der Round-Trip-Wirkungsgrad entscheidend.
- Verluste entstehen unter anderem in der Batterie, Leistungselektronik, Verkabelung und im Thermomanagement.
- AC- und DC-BiDi-Systeme haben unterschiedliche Energiepfade.
- Teillast kann die Effizienz verschlechtern.
- Auch der Standby-Verbrauch des bidirektionalen Ladegeräts kann relevant sein.
- Es gibt bereits veröffentlichte Messdaten zu V2G und V2H.
- Die bisherige Datenbasis ist jedoch noch begrenzt und die Ergebnisse verschiedener Systeme sind nicht direkt vergleichbar.
- Einen allgemein gültigen Prozentwert für die Ladeverluste beim bidirektionalen Laden gibt es deshalb derzeit nicht.
Eine V2G-Feldstudie ermittelte unter den dort untersuchten Bedingungen eine durchschnittliche Round-Trip-Effizienz von 87,0 %.
Was bedeutet Round-Trip-Wirkungsgrad?
Der Round-Trip-Wirkungsgrad beschreibt, wie viel Energie nach einem vollständigen Lade- und Entladevorgang wieder zur Verfügung steht.
Ein vereinfachtes Beispiel:
Sie führen einem bidirektionalen System 100 kWh Energie zu.
Nach dem Laden, Speichern und anschließenden Entladen stehen beispielsweise 85 kWh wieder zur Verfügung.
Der Round-Trip-Wirkungsgrad beträgt:
85 kWh ÷ 100 kWh = 85 %
Die Differenz von 15 kWh entspricht dem gesamten Energieverlust des betrachteten Zyklus.
Wichtig ist die Unterscheidung zwischen drei verschiedenen Größen.
Ladeverlust
Der Ladeverlust beschreibt die Energie, die beim Laden der Batterie verloren geht.
Entladeverlust
Auch beim Entladen der Batterie und der anschließenden Umwandlung in nutzbaren Strom entstehen Verluste.
Round-Trip-Verlust
Beim Round Trip werden Laden und anschließendes Entladen gemeinsam betrachtet.
Für V2H und V2G ist diese Kennzahl besonders interessant, weil die Energie einen vollständigen Weg hin und zurück durchläuft.
Unidirektionales und bidirektionales Laden im Vergleich
| Unidirektionales Laden | Bidirektionales Laden | |
|---|---|---|
| Energiefluss | eine Richtung | zwei Richtungen |
| Batterie laden | ja | ja |
| Batterie entladen | nein | ja |
| Ladeverluste | ja | ja |
| Entladeverluste | nicht relevant | ja |
| Round-Trip-Betrachtung | normalerweise nicht erforderlich | besonders wichtig |
| Anwendungen | normales Laden | V2H, V2G, V2B, V2X |
Beim normalen Laden lautet die entscheidende Frage:
Wie viel Strom muss aus dem Netz bezogen werden, damit eine bestimmte Energiemenge in der Batterie gespeichert wird?
Beim bidirektionalen Laden kommt eine weitere Frage hinzu:
Wie viel dieser gespeicherten Energie kann später wieder für das Haus oder das Stromnetz bereitgestellt werden?
Deshalb muss bei BiDi-Systemen der gesamte Energiepfad betrachtet werden.
Wo entstehen Ladeverluste beim bidirektionalen Laden?
Die Verluste entstehen an mehreren Stellen. Je nach Systemarchitektur können unter anderem folgende Komponenten beteiligt sein:
- Batterie
- On-Board-Charger
- AC/DC-Wandler
- DC/DC-Wandler
- Wechselrichter
- Ladekabel und Leitungen
- Batteriemanagement
- Thermomanagement
- Steuer- und Kommunikationstechnik
- Standby-Elektronik
Eine pauschale Aufteilung der Verluste auf diese Komponenten ist nicht möglich. Der Anteil hängt stark vom konkreten Fahrzeug und der verwendeten BiDi-Technik ab.
Ladeverluste beim bidirektionalen AC-Laden
Beim bidirektionalen AC-Laden befindet sich ein wesentlicher Teil der Leistungselektronik im Fahrzeug.
Beim Laden wird vereinfacht:
AC → DC (Umwandlung im Fahrzeug) → Batterie
Beim Rückspeisen läuft der Energiefluss umgekehrt:
Batterie → DC → AC (Umwandlung in der Wallbox) → Haus oder Netz
Der bidirektionale On-Board-Charger muss deshalb in beiden Richtungen arbeiten.
Dabei entstehen sowohl beim Laden als auch beim Entladen Umwandlungsverluste.
Welche Faktoren beeinflussen die AC-BiDi-Verluste?
Unter anderem:
- Wirkungsgrad des On-Board-Chargers
- Lade- und Entladeleistung
- Batterietemperatur
- Ladezustand
- Teillastbetrieb
- Eigenverbrauch der Elektronik
Gerade niedrige Leistungen können problematisch sein. Eine 2024 veröffentlichte experimentelle Untersuchung von V2G-Systemen zeigte, dass die Effizienz bei niedrigen Leistungen deutlich sinken kann.
Ladeverluste beim bidirektionalen DC-Laden
Beim bidirektionalen DC-Laden übernimmt die externe Ladeeinrichtung wesentliche Teile der Leistungselektronik.
Beim Laden:
AC → DC (Umwandlung in der Wallbox) → Batterie
Beim Entladen:
Batterie → DC (Umwandlung in der Wallbox) → AC → Haus oder Netz
Die Umwandlung findet beim bidirektionalem DC-Laden außerhalb des Fahrzeugs statt.
Auch hier entstehen Verluste in der Leistungselektronik, Batterie, Verkabelung und weiteren Komponenten.
Ob AC- oder DC-BiDi-Laden grundsätzlich effizienter ist, lässt sich derzeit nicht pauschal beantworten. Dafür sind die Systeme technisch zu unterschiedlich.
Entstehen Ladeverluste in beide Richtungen?
Ja.
Beim bidirektionalen Laden entstehen Verluste sowohl beim Speichern als auch beim späteren Bereitstellen der Energie.
Je häufiger Energie zwischen Batterie und Haus oder Stromnetz hin- und herfließt, desto wichtiger wird die Effizienz des gesamten Energiepfads.
Für einen einzelnen Ladevorgang ist der reine Ladeverlust interessant. Für V2H und V2G ist dagegen der komplette Lade- und Entladezyklus entscheidend. Es kommt also noch ein "Entladeverlust" hinzu.
In welche Richtung entstehen mehr Verluste?
Ob Laden oder Entladen effizienter ist, hängt vom jeweiligen System ab. Eine aktuelle experimentelle Untersuchung von bidirektionalen V2G-Systemen kam zu dem Ergebnis, dass die Ladeeffizienz höher als die Entladeeffizienz war.
Die Studie untersucht einen bidirektionalen DC-Lader mit CCS2 und CHAdeMO und testet ihn sowohl mit Emulatoren als auch mit einem Kia EV9. Die Autoren messen für den untersuchten Lader:
- Ladeeffizienz: 80 % bei 2 A bis 97 % bei 32 A
- Entladeeffizienz: 60 % bei 2 A bis 93 % bei 32 A
Diese Ergebnisse zeigen, dass, für die untersuchten Betriebsbedingungen, die Ladeeffizienz höher als die Entladeeffizienz war.
Welche Faktoren beeinflussen die Ladeverluste?
| Faktor | Einfluss auf die Effizienz |
|---|---|
| Fahrzeug | unterschiedliche Batterie- und Leistungselektronik |
| AC oder DC | unterschiedlicher Energiepfad |
| Lade-/Entladeleistung | Wirkungsgrad abhängig vom Betriebspunkt |
| Teillast | kann die Effizienz reduzieren |
| Batterietemperatur | beeinflusst Batterie und Thermomanagement |
| Ladezustand | kann den Wirkungsgrad beeinflussen |
| Leistungselektronik | verursacht Umwandlungsverluste |
| Standby-Verbrauch | besonders bei langen Bereitschaftszeiten relevant |
| Steuerung | beeinflusst Lade- und Entladezyklen |
| Kabel und Leitungen | zusätzliche elektrische Verluste |
Eine V2G-Feldstudie zeigte beispielsweise einen Einfluss von Umgebungstemperatur, Stromstärke und Ladezustand auf die Round-Trip-Effizienz. Niedrigere Temperaturen und geringere Stromstärken wirkten sich unter den untersuchten Bedingungen negativ auf die Effizienz aus.
Warum kann Teillast die Ladeverluste erhöhen?
Leistungselektronik arbeitet nicht bei jedem Betriebspunkt gleich effizient.
Wenn ein bidirektionales Ladegerät nur eine geringe Leistung überträgt, können feste Eigenverbräuche einen größeren Anteil der insgesamt übertragenen Energie ausmachen. Das ist insbesondere für V2H interessant. Eine 2024 veröffentlichte Untersuchung realer V2H-Betriebsdaten zeigte, dass die Umwandlungseffizienz bei Teillast abnimmt. Das bedeutet: Weniger Lade- oder Entladeleistung bedeutet nicht automatisch weniger relative Verluste. Bei sehr geringen Leistungen können die relativen Verluste sogar zunehmen.
Welche Rolle spielt der Standby-Verbrauch?
Der Standby-Verbrauch kann beim bidirektionalen Laden wichtiger sein als beim normalen Laden.
Der Grund: Ein V2H- oder V2G-System kann über viele Stunden mit dem Fahrzeug verbunden und betriebsbereit sein, auch wenn gerade keine Energie übertragen wird.
Eine 2024 veröffentlichte V2H-Untersuchung ermittelte bei den untersuchten Haushalten einen Standby-Verbrauch der V2H-Ladegeräte von 92 bis 142 kWh pro Jahr, wenn die Geräte nicht aktiv genutzt wurden.
Das zeigt: Nicht nur der eigentliche Lade- und Entladevorgang verursacht Energieverluste. Auch der Bereitschaftsbetrieb kann die Gesamteffizienz beeinflussen.
Bei der Bewertung eines bidirektionalen Systems sollte deshalb nicht nur der Wirkungsgrad bei den Lade- und Entladevorgängen betrachtet werden.
Sind die Ladeverluste beim bidirektionalen Laden höher als beim normalen Laden?
Hier muss zwischen Laden und Round Trip unterschieden werden.
Beim einzelnen Ladevorgang muss ein bidirektionales System nicht zwangsläufig höhere Verluste haben als ein vergleichbares unidirektionales System.
Beim vollständigen Lade- und Entladezyklus entstehen dagegen zusätzliche Verluste, weil die gespeicherte Energie anschließend wieder aus der Batterie entnommen und erneut umgewandelt wird.
Vereinfacht:
Unidirektional:
100 kWh → Batterie
Bidirektional:
100 kWh → Batterie → Haus/Netz
Im zweiten Fall durchläuft die Energie einen zusätzlichen Entlade- und Umwandlungspfad. Deshalb ist der Round-Trip-Wirkungsgrad beim Bidi-Laden die aussagekräftigere Größe.
Beispiel für den Round-Trip-Verlust
Angenommen, ein Elektroauto nimmt 100 kWh Energie auf.
Das System erreicht einen Round-Trip-Wirkungsgrad von 85 %.
Dann stehen nach dem vollständigen Lade- und Entladezyklus:
85 kWh
zur Verfügung.
15 kWh sind im gesamten Energiepfad verloren gegangen.
Dabei können unter anderem folgende Verlustquellen beteiligt sein:
- Ladeelektronik
- Batterie
- Entladeelektronik
- Kabel und Leitungen
- Thermomanagement
- Steuerung
- Standby-Verbrauch
Das Beispiel dient nur zur Veranschaulichung. 85 % sind kein allgemeiner Wirkungsgrad für V2G oder V2H.
Gibt es bereits Messdaten zu Ladeverlusten beim bidirektionalen Laden?
Es gibt inzwischen mehrere veröffentlichte Untersuchungen zu V2G und V2H.
Eine V2G-Feldstudie untersuchte zwei Fahrzeug-/Ladestationskombinationen unter realen Bedingungen und ermittelte eine durchschnittliche Round-Trip-Effizienz von 87,0 %. Gleichzeitig weist die Studie darauf hin, dass es insgesamt noch sehr wenig empirische Forschung zur tatsächlichen V2G-Effizienz gibt.
Eine 2024 veröffentlichte V2H-Untersuchung nutzte reale Daten aus Home-Energy-Management-Systemen. Sie zeigte unter anderem, dass die Umwandlungseffizienz bei Teillast sinken kann und dass der Standby-Verbrauch der untersuchten V2H-Ladegeräte 92 bis 142 kWh pro Jahr betragen kann.
Auch neuere experimentelle Arbeiten untersuchen inzwischen die Effizienz bidirektionaler Ladesysteme und unterschiedliche Kommunikations- und Ladestandards.
Kein "fixer" Wert für den Ladeverlust beim BiDi-Laden definierbar
Es gibt bereits erste empirische Messdaten zu V2G und V2H. Die Datenbasis ist jedoch noch begrenzt und heterogen. Deshalb lässt sich derzeit kein allgemein gültiger Prozentwert für die Ladeverluste beim bidirektionalen Laden angeben.
Dafür unterscheiden sich die Systeme zu stark:
- unterschiedliche Elektroautos
- unterschiedliche Batterien
- unterschiedliche Ladegeräte
- AC- und DC-Systeme
- unterschiedliche Lade- und Entladeleistungen
- unterschiedliche Messgrenzen
- unterschiedliche Betriebsbedingungen
So lassen sich Ladeverluste beim bidirektionalen Laden reduzieren
Einige grundsätzliche Maßnahmen können helfen, die Effizienz des Gesamtsystems zu verbessern.
1. Unnötige Teillast vermeiden
Wenn das System dauerhaft mit sehr geringer Leistung arbeitet, können Eigen- und Standby-Verbräuche relativ stärker ins Gewicht fallen.
2. Standby-Verbrauch berücksichtigen
Bei V2H und V2G sollte nicht nur der Wirkungsgrad während des Energieaustauschs betrachtet werden. Auch der Verbrauch im Bereitschaftsbetrieb kann relevant sein.
3. Lade- und Entladezyklen sinnvoll planen
Jeder zusätzliche Energiefluss verursacht Umwandlungsverluste. Das Energiemanagement sollte deshalb nur dann laden und entladen, wenn ein konkreter energetischer oder wirtschaftlicher Nutzen entsteht.
4. Geeignete Betriebstemperaturen beachten
Die Temperatur beeinflusst sowohl Batterie als auch Leistungselektronik.
5. Effiziente Leistungselektronik einsetzen
Der Wirkungsgrad des bidirektionalen Ladegeräts beziehungsweise Wechselrichters ist ein wichtiger Bestandteil der Gesamteffizienz.
6. Den gesamten Energiepfad betrachten
Nicht nur der Wirkungsgrad des Ladegeräts ist entscheidend. Für V2H und V2G sollte die gesamte Kette betrachtet werden:
Energiequelle → Ladegerät → Batterie → Ladegerät/Wechselrichter → Verbraucher/Netz
Lohnt sich bidirektionales Laden trotz der Ladeverluste?
Ja, das kann durchaus der Fall sein. Die Effizienz allein entscheidet nicht über den Nutzen eines V2H- oder V2G-Systems. Bei V2H kann beispielsweise überschüssiger Solarstrom gespeichert und später im Haushalt genutzt werden. Bei V2G kann die Batterie Energie zu Zeitpunkten bereitstellen, an denen sie für das Stromnetz oder den Strommarkt einen höheren Wert besitzt.
Entscheidend ist daher: Welchen Wert hat die zurückgegebene Energie im Verhältnis zu den zusätzlichen Energieverlusten?
Für eine wirtschaftliche Betrachtung müssen außerdem Investitionskosten, Strompreise, Vergütung, Standby-Verbrauch und mögliche Auswirkungen auf die Batterie berücksichtigt werden.
Die wichtigsten Fakten zu Ladeverlusten beim bidirektionalen Laden
- Bidirektionales Laden verursacht Verluste beim Laden und beim Entladen.
- Für V2H und V2G ist deshalb der Round-Trip-Wirkungsgrad besonders wichtig.
- Verluste entstehen unter anderem in Batterie, Leistungselektronik, Kabeln und Thermomanagement.
- AC- und DC-BiDi-Systeme haben unterschiedliche Energiepfade.
- Teillast kann den Wirkungsgrad verschlechtern.
- Auch der Standby-Verbrauch kann relevant sein.
- Fahrzeug, Ladegerät, Temperatur, Ladezustand und Leistung beeinflussen die Effizienz.
- Es gibt bereits veröffentlichte Messungen zu V2G und V2H.
- Die Messwerte unterscheiden sich jedoch deutlich und sind nicht ohne Weiteres vergleichbar.
- Einen allgemeingültigen Prozentwert für die Ladeverluste beim bidirektionalen Laden gibt es derzeit nicht.
- Eine V2G-Feldstudie ermittelte unter ihren Testbedingungen 87,0 % Round-Trip-Effizienz.
- Eine V2H-Untersuchung zeigte unter anderem relevante Teillastverluste und 92 bis 142 kWh Standby-Verbrauch pro Jahr bei den untersuchten Systemen.
Ladeverluste beim bidirektionalen Laden: Bedeutung für die Praxis
Die Ladeverluste beim bidirektionalen Laden lassen sich derzeit nicht mit einem einzigen Prozentwert angeben. Es gibt inzwischen veröffentlichte Messdaten zu V2G und V2H. Diese zeigen jedoch eine deutliche Abhängigkeit von Fahrzeug, Ladegerät, Systemarchitektur und Betriebsbedingungen.
Eine V2G-Feldstudie ermittelte unter ihren konkreten Testbedingungen eine durchschnittliche Round-Trip-Effizienz von 87,0 %. Andere experimentelle Untersuchungen kommen auf niedrigere Werte. Bei V2H zeigen reale Betriebsdaten außerdem, dass Teillast und Standby-Verbrauch die Gesamteffizienz beeinflussen können.