»Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität«
Mit der Autotram ins Büro
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Ganz andere Anforderungen als im Individualverkehr
Anders als Autos, die im Durchschnitt 23 Stunden am Tag parken – sind Busse und Bahnen den ganzen Tag unterwegs. So bleibt wenig Zeit, die Batterien zu laden. Ein Lösungsansatz für die AutoTram sind Schnellladestationen an Haltestellen. An jedem dritten oder vierten Haltepunkt kann Strom gezapft werden. In 30 bis 60 Sekunden muss die erforderliche Energiemenge bei mehr als 1000 A und 700 V aufgetankt werden. In dieser kurzen Zeit ist das nur mit Superkondensatoren möglich. Die Forscher arbeiten an den dazu notwendigen Modulen: beispielsweise an Energiespeichern, die auf Doppelschichtkondensatoren basieren, an Hochleistungswandlern und an Kontaktsystemen zur Übertragung des Stroms. Die Doppelschichtkondensatoren – auch Supercaps genannt – haben im Gegensatz zu Batterien eine hohe Leistungsdichte. Sie sind es, die dafür sorgen, dass die Ladung schnell gespeichert werden kann.
Die Ingenieure arbeiten daran, das Batteriesystem und die Kondensatoren für diese Anwendung im städtischen Verkehr zu verknüpfen. »Wir entwickeln Dualspeicher und testen auch die Kombination mit anderen Speichertypen und Brennstoffzellen«, erklärt Dr. Ulrich Potthoff, Abteilungsleiter am IVI. Seine Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB steuern neue Entwicklungen der leistungselektronischen Komponenten bei, wie einen Gleichspannungswandler, der das Spannungsniveau anpasst. Diese DC/DC-Wandler sind notwendig, um die Doppelschichtkondensatoren mit dem Antriebsstrang zu koppeln. Entscheidend sind auch Materialien, die der Hochstromübertragung Stand halten. Die Oberfläche der Kontakte muss sehr stabil und verschleißfest sein. Geeignete Materialien und ihre Verarbeitung haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gefunden.
»Die Bauteile sind so aufeinander abzustimmen, dass sie mit allen anderen Kom-ponenten harmonieren. Wir passen am IVI die Module in das Gesamtsystem der AutoTram ein und konfigurieren die Schnittstellen«, erläutert Potthoff. Dazu gehören auch die Lithium-Ionen-Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge. Damit befassen sich Experten aus elf Fraunhofer-Instituten unter Hochdruck – keine einfache Aufgabe, denn an Batterien und elektrische Systeme werden höchste Anforderungen gestellt. Sie müssen sicher, langlebig und effizient sein.
Die Entwicklung dieser Packs erfolgt sowohl für Pkws als auch für die Autotram. Das Batteriesystem besteht meist aus mehreren hundert Zellen, und die entladen sich nicht immer gleichmäßig schnell. Und wenn einzelne ausfallen oder nicht mehr die vorgesehene Leistung bringen, kann die gesamte Batterie in Mitleidenschaft gezogen werden. Die einzelnen Zellen werden durch ein übergeordnetes Energiemanagementsystem gesteuert. Projektleiter Dr. Matthias Vetter vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg, der das Vorhaben koordiniert, erklärt das Grundprinzip: »Die Elektronik misst in Bruchteilen von Sekunden den Strom, die Einzelzellspannung sowie die Temperatur und ermittelt daraus den Lade- und Alterungszustand. So lässt sich für jede Zelle erkennen, ob Überladungen, Tiefentladungen, zu starke Erwärmung oder vorzeitige Alterung drohen«.
Für eine neuartige magnetorheologischen Motor-Generator Kupplung bringen die vier Institute LBF, ISC, IWM, IVI ihre Erfahrungen ein. Diese elektrisch schaltbare Kupplung funktioniert folgendermaßen: Unter Einfluss eines Magnetfeldes verändert eine integrierte Flüssigkeit ihre Konsistenz von flüssig zu fest. Der Kupplungsvorgang kann damit präzise gesteuert werden. Ausgerüstet mit hocheffizienten elektrischen Antriebsmotoren und Steuergeräten sowie Hochleistungsbatterien und Superkondensatoren kann die AutoTram ihre Fahrgäste fast ohne Emissionen transportieren.
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