Schnellladen von Elektrofahrzeugen in nur 5 Minuten



Sage das nicht den Herstellern von notebook-Akkus. Da ist immer von Wh die Rede...
-ras
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Ralph A. Schmid

http://www.dk5ras.de/ http://www.db0fue.de /
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Volker Neurath schrieb:

Wo hat er denn von der Leistung geschrieben? Ich lese da nur Energie pro 100km als Ausgangsprodukt. 15-30kWh für 100km.

"Kapazität" ist nur ein anderes Wort für "Energiegehalt".
> - und die wird

Die Ah-Angabe ist allerdings nur sinnvoll wenn man auch dazu angibt bei welcher Spannung. Bei einer Angabe in kWh ist das egal.
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Erhard Schwenk

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Erhard Schwenk wrote:

kWh ist üblicherweise eine Leistungseinheit.

Richtig
Um die Ladedauer eines Akkus zu bestimmen ist kWh aber eher nutzlos.
Volker
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Wenn es vom Himmel Zitronen regnet -- lerne, Limonade zu machen.

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Am 23.09.2010 09:04, schrieb Volker Neurath:

Ist mir neu. Ich dachte immer, dass es dabei um Energie ginge.
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Servus
Christoph Müller
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Christoph Müller wrote:

Hast recht.
Volker
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Am 23.09.2010, 09:04 Uhr, schrieb Volker Neurath

Nein. "Rechne" es nochmal nach. kWh ist die Einheit für eine Energiemenge. Sowas wie Joule oder Kalorien.
Siehst du zum Beispiel auf deiner Stromrechnung. Du bezahlst was weiß ich 2000 bis 4000 kWh im Jahr. Also eine Energiemenge, keine Leistung. Dein Stromzähler zählt entsprechend auch kWh. An einem Hausanschluss mit einer Anschluss*leistung* von ca. 11 kW (ohne "h").

Nein, Kapazität durch Ladeleistung liefert eine untere Schranke, wie lange das Laden mindestens dauern muss. Der wahre Wert der Ladedauer beim realen Laden eines realen Akku an einem realen Ladegerät kann dann nur nach oben abweichen (es dauert länger), von mir aus auch recht weit, aber es kann nicht schneller gehen.
Das ist wie mit einem Eimer und einem Wasserschlauch. Wenn man wissen will, wie lange es dauert, bis der Eimer voll ist, bracht man das Volumen des leeren Eimers (entspricht Kapazität des Akkus). Und wieviel Wassser in Liter pro Stunde da maximal vorne rauskommt (entspricht Leistung des Laders). Der Rest ist dann egal.
Dieses einfache Modell überträgt man auf Akkus als vereinfachendes Ideal-Modell. Real gibt es bei Akkus mehr Einflüsse (Ladestrom und damit die Ladeleistung muss fürs Schnellladen am Ende adaptiv sein, Temperatureinflüsse), aber dadurch kann's nicht schneller gehen.
Ralf
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Volker Neurath schrieb:

*seufz* Nein. kW ist eine Leistungseinheit. kWh ist eine Einheit für Energie.
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Erhard Schwenk

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Am 22.09.2010, 15:39 Uhr, schrieb Volker Neurath

Na klar geht das als *untere Schranke*: wenn ich mit einem 50 kW-Lader eine Batterie mit z.B. 25 kWh von 0 auf 100% Kapazität lade, dann kann es nicht schneller gehen als in 30 min. Klar: In der Praxis wird es länger dauern wegen allen möglichen Sachen: Ladeverluste, Stromaufnahme des Akkus über die Ladedauer nicht konstant, all so Sachen. Aber schneller kann es nicht gehen. Und so hab ich das angewendet.

Die Angabe in Ah ist eine Vereinfachung beim Vergleich von Akkus mit der gleichen Nennspannung.
Allgemein gilt: Akkukapazität = Wert in Ah * Nennspannung
Also z.B. In Ah kann man Starter-Batterien gut untereinander vergleichen (mit Annahme: immer die gleiche Nennspannung 12V), NiCd-Zellen untereinander (Annahme Nennspannung 1,2V), Li-Ion-Zellen untereinander (Annahme: Nennspannung 3,7V) usw. Aber man kann nicht quer vergleichen. 40Ah aus einer Starterbatterie (12V) sind was anderes als 40Ah aus 20 Mignon-NiMH-Akkus mit je 2 Ah (= 2000 mAh), aber nur 1,2V. Die Starterbatterie hat 480 Wh, die 20 Mignon-NiMH-Akkus: 20*2*1,2=48 Wh.
Also: Akkus verschiedener Spannung vergleicht man von ihrer Kapazität her in Wh, oder eben in kWh.
Siehe oben in der Formel: Nimmt man Nennspannung in V ergibt sich V*Ah also Wh, also kWh als Einheit für eine Energiemenge. Das passt schon.
Kurz: Die kWh sind Energiemengen, die kW sind Leistungen.
Ralf
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Hi, ja, sehr nett. Aber das alles ist ziemlich ummesöns überlegt, denn vor den "Vergleichen" kommt erstmal die Konstruktion. Ein solcher "schnell-Ladevorgang" darf ja nicht schneller als der schnellstmögliche Entladevorgang ablaufen. Die Zellen sind untereinander "irgendwie verbunden", diese Kontakte darf man ja nicht überlasten. Dazu die Kühlung...welches normale Auto nuckelt seinen Akku in Minuten leer? Hybride vielleicht, mit ihren Miniakkus. Aber die haben ja ihren eigenen Generator dabei. Vollelektrische dagegen haben eine Höchstabgabeleistung, etwa für winterliche Schnellstfahrt mit Licht und Heizung...mehr muß der Akku also nicht schaffen. Beim Schnell-Laden aber....es wäre der Schritt vom Fahrzeug zum Akkuträger. Denn solche Auslegung kostet auch Gewicht und Effizienz. Aber warten wir es ab, die technik wird schon rauskriegen, welcher Weg der "goldene" ist. Ein eisames Windrad am Ende einer einsamen Landstraße, lediglich über eine Freileitung mit dem nächsten Dorf verbunden, könnte jedenfalls seinen Windstrom in Akkus "abfüllen" :-)
--
mfg,
gUnther
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Ralf Koenig wrote:

Irrtum, sie ist *notwendige* angabe bei diversen Akkutypen zur Bestimmung des Ladestroms. Deine Angabe in kWh sagt nämlich exakt nichts darüber aus, welche Ladestrom dem Akku zugeführt wird.

Kannst du aber trotzdem vergessen. einen LiPo oder LiIon Akku kannst du überlicheweise Schnelladen; aktuell mit bis zu 4C, LiFePo erlauben teilweise schon Schnelladungen mit 10C. einen NiMh-akku aber nur mit 1/10C. Nur: was heisst das jetzt "1/10C" "4C" oder "10C"? Siehste, also brauchste doch die Ah-angabe.

Dann müsste man aber umgekehrt mindestens die kWh und die Spannung wissen. Ok, ist meist gegeben.
Ich habs mal für den NiMh-akku meines Prius nachgerechnet - 1,3kWh bei 201,6V - macht also 6,45Ah. Für eine Schnelladung in 15min wären also ein Ladestrom von 25,79A nötig -- wenn er es denn vertrüge ;-) (mal davon abgesehen, das meiner kein plugIn ist); macht 5200W oder 5,2Kw An einer 230V-leitung nicht machbar bzw. nur mit Ladegeräten ahnlich denen von E-Staplern, will man die Vorschriften zur max. Absicherung einhalten (bei 230V AFAIK 16A) - und bei größeren Akkus dann nur noch über einen 400V anschluss Volker
--
Wenn es vom Himmel Zitronen regnet -- lerne, Limonade zu machen.

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Am 23.09.2010, 09:21 Uhr, schrieb Volker Neurath

Das ist wieder alles Vereinfachung. Es wird einfach konsequent angenommen: die Spannung ist immer die Nennspannung.
Kleines Beispiel: Ein NiMH-Mignon Akku. Nennspannung: 1,2V Kapazität: 2000 mAh (so steht's drauf) Also: 2,4 Wh sind da drin.
Laden mit z.B. "1C" heißt hier: Laden mit 2A. (hier werden einfach die Stunden weggelassen, ein komischer Kniff)
Also: Ladeleistung: 2A * 1,2V = 2,4 Watt Um 2,4 Wh mit 2,4W Ladeleistung zu füllen, braucht man: 1h. So wie bei 2 Ah, die man mit 2A füllt.
Warum geht das alles so gut: Weil die Ladespannung des Laders 1,2V der Zellspannung des Akkus entspricht.
Wann reicht die Betrachtung nciht mehr? Wenn sich die Nennspannung von Akkus unterscheidet, die man miteinander vergleicht. Oder wenn man vor den eigentlichen DC-Lader eben noch Konvertierungssachen hängt: wie eine AC-Steckdose (Haushaltssteckdose oder AC-Ladesäule).
Die kWh und kW kümmern sich auch erstmal nicht um die interne Organisation eines Akku-Packs (was wie parallel oder seriell verschaltet ist).

Kommt drauf an, was du betrachten willst.

Eben das geht auch ohne Betrachten der Spannung nach der "Wassereimer-Vereinfachung":     * 1,3 kWh sind zu füllen.     * 15 min darfs dauern.     * Also 1,3 kWh / (1/4 h) = 5,2 kW sind mind. nötig.
Das vereinfachende Modell geht davon aus, dass es "unterwegs" keine Beschränkungen gibt. Z.B. maximalen Ladestrom der Akkuzellen. Die genaue Betrachtung müsste die Verschaltung der Zellen und die Beschränkungen bei der Ladung (max. erlaubte Temperatur, max. Ladestrom bei Zellspannung, Ladeverluste durch Erwärmung der Kabel und Akkus, Konvertierungsverluste, etc.) dazunehmen.

Klar sind 5,2 kW an 230V machbar, nur halt mit genug Ampere. Nur die Betrachtung der Spannung eines Stromkreises reicht nicht.

Kann man wieder ausrechnen:     230 V * 16 A = 3680 W
Das ist das Maximum, was man an 230V an einem mit 16A abgesicherten Stromkreis rausholen kann. Egal mit welchem Ladegerät, egal ob für ein E-Auto oder einen E-Stapler.
Was aber geht: 230V, 32A abgesicherter Stromkreis: Flupp, schon kann man das doppelte rausholen (die Energieversorgung dahinter muss natürlich gegeben sein).

Du kannst auch für "große" Akkus (also hohe Kapazität) das Ladegerät an einen 230V AC-Stromkreis, 16A hängen. Also z.B. den 50 kWh-Akku im Tesla Roadster an 3,6 kW Haushaltsstrom komplett aufladen. Es dauert nur lange. Mindestens: 50 kWh/3,6 kW = 13,8h.
400V (eigentlich eine Vereinfachung für 3 Phasen a 230 V, 230V * Wurzel(3) = 400V) an 16A liefert immerhin schon 230V * 3 * 16A = 11040 W. Wenn ein Ladegerät das nutzen kann und die Akkus es vertragen, verkürzt sich die Ladezeit deutlich.
Und nochmal: Das vereinfachende Modell geht davon aus, dass mit konstantem Strom geladen wird und es "unterwegs" keine Beschränkungen gibt. Z.B. maximalen Ladestrom der Akkuzellen. Die genaue Betrachtung müsste die Verschaltung der Zellen und die Beschränkungen bei der Ladung (max. erlaubte Temperatur, max. Ladestrom bei Zellspannung, Ladeverluste durch Erwärmung der Kabel und Akkus, Konvertierungsverluste, etc.) muss man dann bei immer schnellerer Ladung dazunehmen. Dadurch ergibt sich eine immer größere Abweichung der realen Ladedauer (länger) von der theoretischen Ladedauer (kürzer).
Ralf
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Ralf Koenig wrote:

wiesò?
Das ist aber doch korrekt.

Hast du schon mal z.B. NiMh mit einer anderen Zellspannung als 1,2V gesehen?

korrekt, aber ich glaube, wir reden aneinander vorbei. 1,3kWh sind zu füllen. wie hoch muss der Ladestrom des Akkus sein, damit das in max. 15min erledigt ist? Das ist doch die wirklich interessante Frage. Zumindest nach meinem Verständnis.

Schon klar. Jetzt sag mir nur bitte, welcher Haushalt so ausgelegt ist, dass ich die 230V Steckdosen mit 32A absichern und trotzdem ruhig schlafen kann ;-)

Das ist mir, als aktivem modellbauer, latür bekannt. Und aus dem Modellbau heraus rührt halt auch meine Irritation ob deiner Betrachtungsweise, die die Ah des Akkus völlig unberücksichtigt lässt.
Normalerweise lade ich meine LiPos mit 1C. Meine LiPos haben eine Nennleistung von 11,1Wh.
Sag mir doch bitte: wie hoch ist nun 1C?
Und wie hoch ist hier 4C?
Das sind die Werte, die mich als Modellbauer interessieren - interessieren *müssen*, weil mein Akku ansonsten gegen die Fehlbehandlung protestiert, im Extremfall lautstark.

Was ist daran vereinfachend?

Hm... bei mir ist die Ladedauer in der Regel sogar kürzer. wohl deshalb, weil die Akkus niemals auf 0% entladen werden, was für nahezu jeden Akkutyp tödlich wäre (sag mir einen akkutyp, der eine solche Entladung überleben würde..)
Volker
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Am 23.09.2010, 13:46 Uhr, schrieb Volker Neurath

Von wegen "Nennleistung von 11,1 Wh". Ich geb's auf.
Und unsere unterschiedliche Betrachtung kann ich dir nochmal deutlich machen:
-------------------------------------------------------------------------------- Du siehst nur den Akku-Pack und den DC-Lader davor, der schon direkt die richtige Ladespannung hat.
Also: DC-Lader mit Akku-Nennspannung <-> Akku Auf dem Stück ist die Spannung klar. Man kann schön in Ah und Ampere denken. --------------------------------------------------------------------------------
Aber diese Sicht hat man erstmal als E-Auto-Kunde nicht. Sondern folgende:
-------------------------------------------------------------------------------- Ladesäule (AC-Ausgang)
    <-> Gleichrichter AC->DC     <-> Spannungswandler     <-> DC-Lader mit Akku-Nennspannung    <-> Akku
Gleichrichter, Spannungswandler und DC-Lader mit Akku-Nennspannung sind irgendwo: im Ladekabel, einem speziellen Ladegerät oder im E-Auto. Der Akku ist immer im E-Auto.
Und hier (auf der gesamten Kette!) ist die Spannung nicht klar, sondern verschieden.
Die Akku-Nennspannung der verschiedenen E-Autos ist immer unterschiedlich, je nachdem wie die halt gerade ihren Akkupack aus Zellen (Typ, Anordnung) zusammenbauen. Die Spannung am Ausgang der Ladesäule ist variabel: mal 120V (USA), mal 230V, mal auch Drehstrom (3Phasen, 230V, landläufig 400V).
Genau deshalb kannst du hier nicht mehr durchgängig von A und Ah reden.
Aber zwei Werte sind i.a. klar: Die Kapazität des Akkus in kWh. Und die max. Leistung der Ladesäule an ihrem Ausgang in kW. Und damit kann man einfache Abschätzungen machen.
Ralf
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Ralf Koenig wrote:

--------------------------------------------------------------------------------

Ja und? sorry, aber ich versteh nicht, warum mich interessieren müsste, dass zwischen Ladesäule und Lader eine andere Spannung fliesst, als zwischen Lader und Akku.

Ok, jetzt weiss ich, was du meinst. War ne schwierige Geburt, aber DAS Problem hab ich als Modellbauer genau so...
Volker
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Ähm nein! Das stimmt überhaupt nicht, was in diesem Absatz steht Wenn man 3 Phasen samt Nulleiter zur Verfügung hat, gelten die 3x16A bei 230 V nur für die Sternschaltung. Schaltet man hingegen die Verbraucher zwischen die Außenleiter, so hat man die 3 fache Leistung zur Verfügung: grundsätzlich gilt: P = U * I * √3 * cos(phi) Für den Dreieck gilt: I =U * √3 / R Für das Stern gilt: I = U / (√3 * R)
Eingesetzt und Umgeformt ergibt, dass man mittels Drehstrom die 3 fache Leistung übertragen kann gegenüber den üblichen 230V.
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Am 23.09.2010, 15:57 Uhr, schrieb Lars Wilhelm

Passt doch alles zusammen.
Normal: 230V * 16 A = 3680 W Und oben mit Drehstrom: 230V * 16 A * 3 = 11040 W
Also: 3 mal soviel Ladeleistung. Wie oben auch steht. Ich wollte nur noch dazu sagen, warum das Ding 400V-Drehstromanschluss heißt.
Oder wo hab ich mich missverständlich ausgedrückt?
Ralf
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Ich stand auf dem Schlauch. der gleiche Verbraucher in stern oder dreieck betrieben liefert unterschiedliche Leistungen. Aber wenn man die 16A als Limit nimmt, dann ist es wurscht, wie ich verschalte- es werden maximal 11 Kw geliefert. Denn wenn der Außenleiter 16 A liefert, teilt der im Dreieck seinen Strom auf 2 Verbraucher auf. Geometrisch addiert liefert das eben einen Strom von 16A/sqrt(3) pro Verbraucher. Daher ist es wurscht, ob ich 3*230*16 oder 3*400/sqrt(3) *16 rechne.
/notier erst denken dann rechnen dann posten /notier
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Ralf Koenig schrieb:

Aber nicht mit üblichen Hausinstallationen und auch nicht mit normalen Schuko-Steckern, denn da gibts maximal 16A.

Eben.
Da darfst Du dann aber keinen Schuko-Stecker mehr benutzen, denn der ist ebenso wie die üblicherweise in Haushalten verlegten Leitungen nur bis 16A spezifiziert. Wird also so im Normalhaushalt nix.

Was dann so langsam die Grenze der Nutzbarkeit erreicht, denn ein Auto das man nur alle 2 Tage benutzen kann ist nun wirklich so dermaßen lächerlich, das würde auch der letzte Ökofaschist ablehnen.

Ja. Allerdings wird das auch daran nix mit Benzinbetankungs-ähnlichen Ladezeiten, wir reden da immer noch eher von Stunden als von Sekunden.

Richtig. Die praktische Ladezeit dürfte ungefähr wenigstens doppelt so lange sein.
--
Erhard Schwenk

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Schuko stand ja da nicht. Für 32A an 230V gibt CEE-Stecker.

So stimmt's ja nicht. (siehe unten)

Naja, mit einmal aufladen hat man dann aber auch (nach optimistischen Werksabgaben und sehr zurückhaltender Fahrweise) auch ca. 350 km Reichweite. Man muss also gar nicht immer voll aufladen und voll entladen, wobei das abhängig ist vom Fahrprofil.

Das ist klar. (siehe unten)

Kommt doch drauf an, für wieviel Strecke man Strom reinladen will.
Objektivieren kann man das, indem man eine Ladegeschwindigkeit angibt an den versch. Energiequellen.
Also mal beispielhalft für den Tesla Roadster: Akku mit 50 kW. Ca. 350 km el. Reichweite. Macht als Verbrauch: ca. 15 kWh/100 km.
Laden an 230V/16A (normale Haushaltsschukodose, 16A Zweig sonst nicht belastet!): 3,6 kW / (15 kWh/100 km) = 24 km/h. Pro Stunde kann man hier also Saft für ca. 24 km el. Reichweite nachladen. In 10 min also für 4 km.
Hat man eine CEE mit z.B. 11 kW (400V, 16A, sonst unbelastet): 11 kW / (15 kWh/100 km) = 73 km/h. (Klar, etwa das dreifache.) In 10 min: etwa 12 km.
Vorteil: Mit so einer Ladegeschwindigkeit kann jeder selbst ausrechnen, wie lange so ein Teil-Nachladen braucht für die individuellen Strecken. Große Akkus helfen dann halt mächtig dabei, genügend Reserven zu haben.
So könnten die E-Auto-Hersteller das angeben.
Für z.B. die folgenden Energiequellen: 230V DC, 16A: 3,6 kW: Ladegeschwindigkeit: _______ 230V DC, 32A: 7,2 kW: Ladegeschwindigkeit: _______
400V DC, 16A: 11 kW: Ladegeschwindigkeit: _______ 400V DC, 32A: 22 kW: Ladegeschwindigkeit: _______ 400V DC, 63A: 44 kW: Ladegeschwindigkeit: _______
Und dabei aber dann nicht nach Wassereimer-Modell rechnen, sondern mit deren konkreten bereitgestellten Ladegeräten (die wieder Beschränkungen haben) und Akkus. Wenn dabei bestimmte Dosen/Energiequellen von dem mitgelieferten Adapterkram nicht unterstützt werden, steht da z.B. 0 km/h. Wenn auch an 44kW nur mit 22kW geladen wird: steht eben bei beiden der gleiche Wert.
Man kann dann noch eine Broschüre dazulegen, wie verbreitet die einzelnen Energiequellen (Ladesäulen) sind. Und welche davon man als Anschluss zuhause für den Kunden vorgesehen hat, wenn dieser den E-Auto-Schnellladeanschluss gleich im Paket mit bestellen will.
Was man dann sehen wird: Die Ladegeschwindigkeit an den kleinen Anschlüssen differiert bei den versch. E-Autos kaum. Aber die Unterstützung der Schnelllade-Dinger, da kommen schon Unterschiede zum Tragen.
An die "Ladegeschwindigkeit" von sparsamen Benzin/Diesel-Autos (ca. 1000 km in 2 min: also ca. 30.000 km/h) kommen sie bei weitem nicht ran, klar. Aber das ist auch gar nicht nötig.

Kommt auf eine Menge Faktoren an. Was die Hersteller da schon als "Trick" machen: Sie geben (quasi alle) die Zeit für 80% Laden. Denn hier verabschiedet man sich vom "Wassereimer-Modell": die letzten 20% brauchen viel Zeit, aber bringen aber wenig zusätzliche Energie in den Akku. Laden während der ersten 80% eines Akkus gehen noch ganz gut nach dem "Wassereimer-Modell" zumindest für moderate Laderaten.
Sieht man hier: http://www.batteryuniversity.com/partone-12-german.htm
"Einige Ladegeräte versprechen eine Schnellladung von Lithium-Ion-Batterien in einer Stunde oder weniger. Solche Ladegeräte überspringen Stufe 2 und gehen direkt auf "Ready / Bereit" am Ende der Stufe 1. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch das Ladeniveau erst auf etwa 75%. Das Erreichen der Vollladung benötigt i.A. zweimal länger als Stufe 1."
Ralf
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Ralf Koenig schrieb:

Hallo,
warum schreibst Du eigentlich penetrant DC wenn es doch um AC geht? Drei Phasen mit 230 V und 63 A ergeben übrigens 43,47 kW, gerundet 43,5 kW. Eine Phase mit 230 V und 32 A sind 7,36 kW.
Bye
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