Hochvolt

Ein Hochvoltsystem, kurz HV bezeichnet in der Fahrzeugtechnik die Teilsysteme von Elektroautos, die mit Spannungen über den für Menschen berührungssicheren Sicherheitskleinspannungen (SELV) betrieben werden und über 60 Volt Gleichspannung (oder 25 V Wechselspannung) liegen. Die Gefahr eines Stromschlages wird durch orangefarbene Kabel und Stecker angezeigt und soll durch die farbliche Unterscheidung zum 12-V-Niedervoltsystem in der Fahrzeugtechnik das erhöhte Gefahrenpotential verdeutlichen.^[1]

Orangefarbene Kennzeichnung der Hochvolt-Leitungen beim Akkupack des Nissan Leaf

Warnung vor elektrischer Spannung nach ISO 7010

Der Fahrzeugtechnik-Begriff Hochvolt ist nicht mit dem Begriff Hochspannung im Bezug zu der elektrischen Energietechnik zu verwechseln. Der Bereich der Hochspannung beginnt ab 1 kV Wechselspannung (AC) oder 1,5 kV Gleichspannung (DC) aufwärts, der Bereich darunter und so auch Hochvoltsysteme, zählen zu dem Bereich der Niederspannung.^[2] Das Megawatt Charging System (MCS) für LKW hat eine Obergrenze von 1,25 kV Gleichspannung.

Hochvoltspeicher

Eine „Hochvoltbatterie“ (abgekürzt „HV-Batterie“) oder auch „Hochvoltspeicher“ ist eine elektrische Energiequelle für mobile und stationäre Anwendungen. Sie findet vorzugsweise Verwendung in Elektroautos, wo sie auch als Antriebsbatterie oder Traktionsbatterie bezeichnet wird, oder als stationärer Speicher für Solar- oder Peak-Shaving-Anwendungen. Als Spitzenkappung („Peak Shaving“) wird in der Energiewirtschaft das Glätten von Lastspitzen bei industriellen und gewerblichen Stromverbrauchern bezeichnet; es trägt zur Stromnetzstabilität bei.^[3] Eine Hochvoltbatterie besteht aus einzelnen Batteriemodulen, in denen einzelne Akkumulator-Zellen gekapselt sind, die durch Reihenschaltung insgesamt eine elektrische Spannung von mehreren hundert Volt liefern.

Sicherheit

Kennzeichnungen

Leitungen und Verbindungskomponenten des HV-Systems werden nach ISO 6469-3 und ECE-R 100 in orange gekennzeichnet (umgangssprachlich „Hochvolt-Orange“).^[4][5]

In der Nähe des elektrischen Energiespeichers ist ein dreieckiges gelbes Warnsymbol mit schwarzem Blitz und Rahmen (ähnlich wie nach DIN 4844-2) als Gefahrenkennzeichnung anzubringen.^[6]

Elektrische Gefährdungen

Elektrische Gefährdungen bestehen, wenn die Berührungsspannung 25 V AC oder 60 V DC übersteigt und der Kurzschlussstrom größer als 3 mA AC oder 12 mA DC ist oder Energie von mehr als 350 mJ umgesetzt wird.^[7]

Gebräuchliche Architekturen

Bei einer Nennspannung von 400 V benötigt eine Ladeleistung von 120 kW, wie z. B. bei Tesla Supercharger der späten 2010er Jahre, eine Stromstärke von 300 A, und 400 kW Motorleistung (Tesla Model S Plaid bis zu 750 kW) erfordern 1 kA Stromstärke im Fahrzeug. Um diese Ströme zu reduzieren, wurden daher höhere Spannungen bis ca. 1 kV zunächst beim Ladestandard CCS 2.0 eingeführt, beim LKW-Standard Megawatt Charging System (MCS) ging man bis 1,25 kV und blieb damit im Bereich der Niederspannung, die bei Gleichspannung bis zu 1,5 kV liegt.

Der wesentliche Vorteil einer höheren elektrischen Nennspannung ist, dass für dieselbe elektrische Leistung eine geringere elektrische Stromstärke nötig ist; wird die Spannung beispielsweise verdoppelt, genügt der halbe Strom. Dünnere Kabel (mit geringerer Leiterquerschnittsfläche) reichen dann aus. Damit kann bei Material, Gewicht, Kühlung, Komplexität und Kosten gespart werden. Auf der anderen Seite lassen sich mit höheren Spannungen höhere Fahr- und Ladeleistungen leichter realisieren, ohne mit ansonsten nur mehr schwer handzuhabenden sehr hohen Strömen konfrontiert zu sein. Indem Akkumulator-Zellen oder Batteriemodule nicht parallel, sondern in Reihe geschaltet werden, lässt sich die Spannung der Antriebsbatterie sehr einfach erhöhen.

400 V

Die Entwicklung von Systemen mit 400 V Nennspannung konnte sich auf die breite Verfügbarkeit von Komponenten für Haushalte und Kleinbetriebe mit 400-V-Kraftstrom stützen.

In der Tesla Roadster (2008) Antriebsbatterie wurden 6831 Zellen handelsüblicher Lithium-Ionen-Zellen der Größe 18650, die auch für Notebooks verwendet wurden, zu jeweils 69 parallel und 99-mal in Serie hintereinander verschaltet. Aus 3,6 Volt Nennspannung einer Einzelzelle resultiert knapp 360 V Akkunennspannung, und bei 4,1 V Ladeschlussspannung wird der Akku gute 400 V maximale Spannung aufweisen. Das liegt in der Größenordnung des in Europa üblichen Dreiphasenwechselstrom. Abgesehen vom Mitsubishi i-MiEV von 2009, der sich mit 88 Zellen in Serie begnügt, hatten und haben spätere E-Autos wie der Nissan Leaf (2010, 96) und der Smart Electric Drive (2012, 93) fast immer zwischen 90 und 100 Zellen in Serie. So wurden bei Elektroautos für den elektrischen Antriebsstrang 400-Volt-Systeme vorherrschend.^[8]

800 V

Die Entwicklung von Systemen mit 800 V konnte sich auf die Komponenten von Gleichstrom-Bahnsystemen stützen, bei denen eine 750 V Nennspannung zur vorherrschenden Norm wurde (Straßenbahn und U-Bahn). Dabei speisen die Unterwerke 800 V in die Oberleitung oder Stromschiene ein, wobei die Fahrzeuge durch Spannungsabfall auch bei 600 V arbeiten sollen.

Alte Ladestation mit „K“ 50–500 Volt CCS-Anschluss und „M“ 50–500 Volt Chademo-Anschluss (2021)

Neue Ladestation mit „L“ 200–920 Volt CCS-Anschluss – obwohl nur 150 kW kann hier 800 Volt bezogen werden (2024)

Combo2-Ladebuchse – die 400-Volt-Batterie lädt an „K“ und „L“ Gleichstrom, sowie an „C“ Wechselstrom bis 480 V

Mit Stand 2021 wurde die 800-V-Architektur in PKWs noch selten eingesetzt. Sie kam meist bei gehobenen oder sportlichen Fahrzeugen zum Einsatz, aber auch bei manchen Kleinwagen.^[8] Die nachfolgend entwickelten Elektro-Plattformen bieten jeweils eine Variante mit 800 bis 1000 Volt. Die Grenze ergibt sich durch die Entwicklung der Schnellladenetze, deren High-Power-Charging-Ladestationen nach Combined Charging System 2.0 ausgestattet wurden, die Anlagen für bis zu 1000 Volt spezifiziert.^[9] Die höhere Spannung verringert die Leitungsverluste im Hochvoltnetz und erlaubt eine höhere Effizienz. Mit den auf 800 Volt optimierten Plattformen werden Mitte der 2020er die Siliziumcarbid-Wechselrichter üblich, die ebenfalls die Effizienz steigern.^{[10][11][12][13]}

Einige Modelle haben eine Systemspannung von 400 V, können aber durch Reihenschaltung von zwei Batteriemodulen eine Ladespannung von 800 V beziehen. Fahrzeuge mit einer Systemspannung von 800 V können ältere Ladepunkte eigentlich nicht nutzen, die nur maximal 500 V liefern (CCS 1.0 bis 2016, Chademo 1.0 bis 2018, Supercharger V3 bis 2025). Bis 2025 hatten diese Fahrzeuge einen internen Wandler (DC/DC-Booster) eingebaut, oder konnten umgekehrt die Batterie in zwei Teile zu je 400 V spalten und parallel laden.^[14] Die Kompatibilität wird am Ladestecker und Ladebuchse durch Buchstaben in einem Hexagon (Sechseck) ausgedrückt – „K“ steht für 50–500 Volt Gleichstrom CCS-Anschluss und „L“ steht für 200–920 Volt Gleichstrom CCS-Anschluss.^[15]

Beispiele mit 800-V-Technik

• Audi e-tron GT (2024) – max 320 kW CCS
• Audi Q6 e-tron (2024) – max 270 kW CCS
• Audi Q6 Sportback e-tron
• Audi A6 e-tron – max 270 kW CCS
• Audi A6 Avant e-tron
• BMW iX3 (ab 2025/26) – max 400 kW CCS (Neue Klasse)
• BYD Han (2024)
• BYD Seal (2023)
• eActros 600 (2024) – max 400 kW CCS
• Genesis GV60 (2021)
• Genesis Electrified GV70 (2021)
• Genesis Electrified G80 (2021)
• Hyundai Ioniq 5 (2021) – max 240 kW CCS (Systemspannung 800 V)
• Hyundai Ioniq 6 (2022) – max 260 kW CCS
• Hyundai Ioniq 9 (2025)
• Kia EV6 (2021) – (Systemspannung 800 V)
• Kia EV9 (2023) – max 240 kW CCS (Systemspannung 800 V)
• Mercedes CLA (ab 2025/26) – max 320 kW CCS²⁺
• Porsche Taycan (2019) – max 270 kW CCS
• Porsche Macan (2024)
• Porsche Taycan Cross Turismo
• Tesla Cybertruck (2023) – max 350 kW Supercharger V4
• Volvo ES90 (2025) – max 350 kW CCS
• Volvo EX90 (ab 2025/26) – max 350 kW CCS
• Xpeng G6 (2023) – max 280 kW CCS / (ab 2025/26) 450 kW CCS
• Xpeng G9 (2022) – max 260 kW CCS / (ab 2025/26) 525 kW CCS
• Xpeng P7 (ab 2025/26) – max 480 kW CCS
• Zeekr 007 (2024) – max 280 kW
• Zeekr Mix (2025)

^[16][8][17]

Planung

VW und Mercedes planen in Zukunft 800-V-Technik zu verwenden. Ebenfalls möchten viele chinesische Hersteller vermehrt die 800-V-Technik einsetzen.^[16]

Vorteile gegenüber 400 V Technik

• Schnelleres Laden mit Gleichstrom
• Höhere Leistung beim Fahren. So wie die Akkus schneller geladen werden können, können diese auch wieder schneller entladen werden.
• Weniger Gewicht. Wegen der höheren Spannung müssen weniger Kupferkabel verlegt werden.
• Mehr Platz. Da wegen der höheren Spannungen weniger Kupferkabel verlegt werden müssen, spart dies auch Platz im Auto.^[16]

Nachteile gegenüber 400 V Technik

• Die Entwicklungs- und Produktionskosten sind deutlich höher.^[16]

1000 V

Die Entwicklung von Systemen bis 1000 V konnte sich ebenfalls auf die Bahntechnik abstützen, bei der die Komponenten mit einem Sicherheitszuschlag entworfen wurden, sodass sie auch bei 1000 V oder auch 1200 V sicher arbeiten. Bei Mängeln in der Produktion sinkt nur die mittlere Betriebsdauer. Eine Reihe von Bahnstromsystemen haben in der Vergangenheit diesen Umstand genutzt und die Fahrdrahtspannung angehoben, insbesondere um die Errichtung neuer Unterwerke zu verringern.

Für die Ladestandards für Elektroautos wurde diese Grenzen übernommen – CCS 2.0 ist bis auf 1 kV und 500 A, d. h. 500 kW ausgelegt. Der Ladestandard für Elektrolastkraftwagen Megawatt Charging System (MCS) ist bis 1,25 kV und 3 kA, d. h. 3,75 MW ausgelegt. Die Verwendung von 900 V als Nennspannung der Batterie erlaubt, dass die um etwa 11 % höhere Ladeschlussspannung von Lithiumakkumulatoren an Ladestationen bis 1000 V großteils erreicht wird.

BYD hat im März 2025 die beiden Auto-Modelle BYD Han L und BYD Tang L mit 1000-V-Ladetechnik vorgestellt. Ein Demonstrator zeigte mit Strom aus zwei Ladesäulen eine Laderate bis maximal 1 MW (vergleiche Megawatt Charging System).^[18] Die Motivation für dieses Spannungsniveau liegt im Rekord von 5 Minuten für einen kompletten Ladevorgang.^[19] Die Systemarchitektur verwendet 945 V.^[20]

Tesla hat für die Tesla Semi ebenfalls eine 1000-Volt-Architektur entworfen. Entsprechend werden die Tesla Supercharger ab Version 4 für maximal 1000 V und eine maximale Stromstärke von 615 A am Ladepunkt vorbereitet.^[21][22][23]

Die von Nio entwickelte NT-3.0-Plattform arbeitet mit bis zu 925 V. Die Technik mit 900 V wird mit Stand März 2025 im Nio ET9 verbaut. Die Ladeleistung beträgt 600 kW.^[24] Dies wird bei 765 A erreicht. Nio hat auch eine passende Ladestation mit 640 kW entwickelt und will davon 20.000 in China errichten.^[25] In anderen Regionen bleibt es bei den verbreiteten maximal 500 A an den Ladestationen, die erst nach 2025 teilweise auf 600 A angehoben werden.^[26]

Zeekr hat für den Zeekr 9X die Verwendung der SEA-S Platform (Sustainable Experience Architecture - Sports cars) angekündigt, die eine 900-Volt-Architektur hat.^[27] Dies soll ab 2026 auch auf die Modelle Zeekr 001 und Zeekr 7X übertragen werden.

Auch die Formel E setzt auf ein 900-V-System.^[8]

Beispiele mit 800 bis 1000 Volt:

• Lucid Air (2023) – 900 Volt
• Nio ES8 (2025 / 3. Gen) – 900 Volt – max 600 kW^[28]
• Nio ET9 (2023) – 900 Volt – max 600 kW
• BYD Han L (2025) – 1000 Volt – max 1000 kW
• BYD Tang L (2025) – 1000 Volt – max 1000 kW

1250 V und 1500 V

Systeme mit noch höherer Spannung befinden sich nicht in Produktion.

Das Megawatt Charging System wurde bis 1250 V spezifiziert. Der Demonstrator 2022 verwendete allerdings 800 V mit 1250 A.^[29] Die Standardisierung für MCS hat 2024 auch eine Erweiterung auf 1500 V und maximal 4000 A vorgeschlagen.^[30]

BYD's Super e-Platform verträgt 1500 V, wird in aktuellen Modellen aber nur bis 1000 V genutzt. Begrenzender Faktor ist (Stand 2025), dass die Ladeinfrastruktur dazu noch zu standardisieren und zu errichten ist.^[31][32]

Literatur

• Martin Frei: Grundlagen Kfz-Hochvolttechnik: Basiswissen, Komponenten, Sicherheit. 3., erweiterte Auflage. Krafthand Medien, Bad Wörishofen 2018, ISBN 978-3-87441-163-9.

Weblinks

• Suchwort Hochvolt bei Incoming Mobility Hintergründe zur Hochvolttechnik von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Portal für neue Mobilitätskonzepte und alternative Antriebe. Krafthand Medien GmbH, Bad Wörishofen
• Hans-Martin Fischer (verantwortlich): Spannungsklassen in der Elektromobilität. Hrsg.: ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie. Dezember 2013 (zvei.org [PDF; 7,8 MB]).