Elektro-Antriebe Die 800-Volt-Liga

Die Autohersteller rüsten zunehmend auf. Viele neue E-Autos bekommen ein 800-Volt-Hochspannungsnetz. Gründe dafür sind weniger die Motorleistung als die Reichweite und die Ladegeschwindigkeit.

Immer mehr Hersteller setzen in ihren E-Autos auf 800-Volt-Systeme. Den Anfang hatte 2019 Porsche mit dem Taycan gemacht. Hyundai und Kia brachten die Technik 2021 in die Mittelklasse. Nun zieht Mercedes mit der „Mercedes Modular Architecture“ (MMA) nach, deren erstes Modell der neue CLA ist. Der Volkswagenkonzern setzt bei der Premium Platform Electric (PPE), auf der etwa der neue A6 e-tron basiert, bei immer mehr Modellen auf die höhere Spannung. Ebenso BMW mit der „Neuen Klasse“ und Smart beim Modell #5, wenn es die große 100 kWh Batterie an Bord hat. Außerdem hat der neue Volvo ES90 800 Volt an Bord, und auch immer mehr chinesische Hersteller bringen 800-Volt- Autos auf die Straße.

Ist das nun eher eine Maßnahme, um das Image der Marke zu verbessern – ähnlich wie die Sechs- und Achtzylindermotoren bei den Verbrenner-Modellen? Oder sprechen handfeste Gründe dafür, die Bordspannung im Hochvoltnetz von 400 Volt auf 800 Volt zu verdoppeln?

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Natürlich verbessert es das Image, wenn Hersteller auf fortschrittliche Technik setzen. Doch die Vorteile der 800-Volt-Technik sind so groß, dass es kein Wunder ist, wenn immer mehr Hersteller die erhöhte Spannung nutzen – obwohl sie mit Mehrkosten verbunden ist. Denn sie sorgt im Gegenzug für eine höhere Dauerleistung, weniger Verluste und deutlich schnellere Ladezeiten. Zudem ermöglicht sie geringere Gewichte und kompaktere Baugruppen.

Aber wieso haben die Hersteller dann nicht von Anfang gleich auf 800 Volt gesetzt? Dazu ist ein Blick in die Historie der modernen E-Autos sinnvoll. Als in den 2010er Jahren die ersten dieser Wagen auf den Markt kamen, waren die Lithium-Ionen-Batterien noch sehr teuer. Die Preise lagen bei etwa 1000 Dollar pro Kilowattstunden (zum Vergleich: heute kosten Batterien laut einer Analyse von BloombergNEF durchschnittlich rund 115 Dollar pro Kilowattstunde). Die Batterien waren deshalb im Vergleich zu den heutigen sehr klein. Der Nissan Leaf, über Jahre das weltweit meistverkaufte Elektroauto, hatte etwa eine Brutto-­Batteriekapazität von 24 kWh. Dafür reichte eine Gleichstrom-Ladeleistung von 46 kW beim Schnellladen aus. Das ließ sich noch problemlos mit einer Bordspannung von 400 Volt umsetzen. Viele Jahre lang bestand also kein Bedarf für eine höhere Bordspannung.

Batterien werden billiger

Das ändert sich nun. Durch die gefallenen Batteriepreise und die gestiegenen Ansprüche der Kunden bekommen die Autos immer größere Energiespeicher. Die sollen sich trotzdem in möglichst kurzer Zeit aufladen lassen. Hierfür bietet die 800-Volt-Technik enorme Vorteile. Denn da die elektrische Leistung bekanntlich ein Produkt aus elektrischer Spannung und Stromstärke ist, gibt es zwei Wege, um die Ladeleistung zu erhöhen: Man kann entweder die Stromstärke oder die Spannung erhöhen.

Wenn jedoch mehr Strom durch die elektrischen Leiter fließt, entsteht durch den ohmschen Widerstand auch eine höhere Verlustleistung und damit ein Wärmeverlust. Um das zu vermeiden, müssten die Kabel einen größeren Querschnitt bekommen, also dicker und schwerer werden. Das lässt sich vermeiden, wenn man anstelle des Stroms die Spannung erhöht. Dann nämlich können die Kabel ihren Querschnitt behalten oder sogar noch dünner werden und damit deutlich Gewicht einsparen.

Eine geringere Abwärme in den Leitungen steigert zudem die Effizienz des Elektromotors und der anderen Hochvolt-Komponenten. Denn Elektronen, die durch Reibung in den Leitern als Hitze „verpuffen“, stehen dem E-Motor nicht mehr zur Umwandlung in Antriebsenergie zur Verfügung. Aus der elektrischen Energie wird bei 800 Volt also kinetische anstelle von thermischer Energie. Dadurch brauchen diese Systeme weniger Leistung für die Kühlung ihrer Komponenten.

Viel schneller laden

Die Stromstärke, die durch die Leitungen der Ladestationen fließen kann, ist auch beim Laden ein limitierender Faktor. Bei DC-Ladestationen ohne Kühlung von Steckern und Kabeln beträgt die maximal mögliche Stromstärke rund 250 Ampere. Bei den gekühlten Ladesteckern von sogenannten HPC-Ladern (High ­Power Charger) lässt sich das auf 500 Ampere steigern.

Dadurch liegt bei Autos mit 400-Volt-Technik die rechnerisch mögliche Dauerladeleistung bei 400 Volt mal 500 Ampere, also 200 Kilowatt. Bei Autos mit 800-Volt-Technik steigt sie auf das Doppelte, also auf 400 Kilowatt.

Allerdings sind das bisher eher theoretische Werte. In der Realität müssen auch Ladegeräte, Thermomanagement und Batteriezellen auf solch hohe Ladeleistungen abgestimmt sein, was wiederum die Kosten in die Höhe treibt. Bei den Batteriezellen müssen beispielsweise der Innenwiderstand und die Geschwindigkeit des Ionentransports auf hohe Ladegeschwindigkeiten angepasst sein. Denn bei hohen Strömen entstehen verstärkt Verluste in Form von Wärme (siehe Kasten „Gut zu wissen“). Das ist sogar ein selbstverstärkender Effekt. Denn höhere Temperaturen führen zu noch größeren Verlusten. Deswegen ist das Thermomanagement des Batterie­systems entscheidend für die im Dauerbetrieb nutzbare maximale Ladegeschwindigkeit.

Daher schöpfen viele Hersteller bei ihren Autos die theoretisch möglichen Ladeleistungen aus Kostengründen gar nicht aus – das gilt für die 400-Volt-Autos genauso wie für die 800-Volt-Fahrzeuge. Dennoch sind die Ladeleitungen vieler 400-Volt-Systeme ebenfalls bereits beachtlich. Allerdings ist das Potenzial hier schon deutlich stärker ausgeschöpft als bei 800-Volt-Systemen.

Deshalb weist die Unternehmensberatung P3 in ihrem Charging-­Index vor allem Autos mit 800-Volt-­Architektur auf den vorderen Plätzen aus. Mit dem Index untersucht P3 regelmäßig die Ladeperformance verschiedener Elektroautos. Konkret geht es um die Frage: Wie viele Kilometer reale Reichweite lädt ein Elektroauto in 10 und in 20 Minuten an der Schnellladesäule nach?

In der im Dezember 2024 veröffentlichten sechsten Ausgabe des P3 Charging Index belegte Porsche mit dem Taycan den ersten Platz. Das Modell lädt an der Schnellladesäule Strom für 262 Kilometer innerhalb von 10 Minuten und für 383 Kilometer innerhalb von 20 Minuten nach. Bei Autos der Mittelklasse siegte mit dem Hyundai Ioniq 6 ebenfalls ein 800-Volt-Auto. Der Wagen lädt 234 Kilometer in 10 Minuten und 346 Kilometer in 20 Minuten an der Schnellladesäule nach und steht damit in der Gesamtwertung auf dem zweiten Rang. Das beste Auto mit 400-Volt-Technik ist der Nio ET5 Touring auf dem sechsten Platz. Er kann innerhalb von 10 Minuten Strom für 147 Kilometer und in 20 Minuten für 294 Kilometer nachladen.

Passen 400-Volt-Säulen dann noch?

Da die Infrastruktur bisher nicht flächen­deckend mit 800-Volt-­Lade­säulen ausgestattet ist, müssen die Hersteller derzeit noch mit verschiedenen Maßnahmen dafür sorgen, dass ihre Autos an allen Ladesäulen Strom zapfen können. Hyundai nutzt dafür den Wechselrichter am hinteren Elektromotor. Dank einer Boost-Konvertierung kann die Elektronik eine 400-Volt-Ladung intern in 800 Volt umwandeln, bevor der Strom die Batterie erreicht.

Einen anderen Weg geht Audi bei seiner PPE-Plattform: An einer 400-Volt-Ladesäule nutzt das Lademanagement das sogenannte Bank­laden. Dabei schaltet der BMC (Battery Management Controller) vor dem eigentlichen Ladevorgang automatisch entsprechende Hochvoltschalter um. Diese teilen die 800-­Volt-Batterie in zwei Batterien mit gleicher Spannung auf, die dann parallel mit bis zu 135 kW geladen werden können. Beide Batteriehälften werden dafür gegebenenfalls zuerst im Ladezustand angeglichen und dann gemeinsam geladen.

800 Volt bieten zwar viele Vorteile, sind aber nicht in jedem E-Auto notwendig. Das ist ähnlich wie mit einem Sechszylinder-Motor oder einem Allradantrieb: Auch das sind Techniken, die zwar einen Mehrwert für das Auto bieten, aber längst nicht für jedes Nutzungsverhalten wirklich sinnvoll sind.

Wer sein Auto hauptsächlich über Nacht an der heimischen Wallbox lädt und meist nur kurze Strecken fährt, für den wäre ein 800-Volt-System überdimensioniert. Wer dagegen oft auf der Langstrecke unterwegs und deshalb auf schnelle Ladezeiten angewiesen ist, für den kann ein Auto aus der 800-Volt-Liga große Vorteile bieten.

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