Elektromobilität Akkus tauschen oder laden?

Bei »konventionellen« Elektromobilen wird die Batterie im Fahrzeug bei Bedarf mittels Gleich- oder Wechselstrom aufgeladen. Beim »Battery Swapping« hingegen werden die leer gefahrenen Batterien durch frisch aufgeladene ersetzt. In der ostchinesischen Hafenstadt Qingdao nutzen Elektrobusse dieses Verfahren.

Auch in China bringt die Elektromobilität neuen Schwung in die Fahrzeug-, Elektro- und Energie-Industrie. Knapper und teurer werdende Ölreserven sowie der Klimawandel auf der einen Seite, Umweltprobleme in den Megastädten und die ansteigenden Mobilisierungsquoten auf der anderen Seite treiben das Thema voran. Bis 2015 soll es in China bereits eine Million Elektrofahrzeuge und 220 000 Ladepunkte geben. 2020 sollen bereits fünf Millionen Elektrofahrzeuge im Land verkehren.

Bei den gegenwärtigen Diskussionen um die Akzeptanz des Elektromobils spielt neben dem Anschaffungspreis vor allem die Alltagstauglichkeit eine Rolle. Batteriekapazität und Aktionsradius sollen nicht zu knapp bemessen sein, und das Ladesystem muss für den elektrotechnischen Laien problem- und gefahrlos handhabbar sein. Ganz anders sehen die Anforderungen bei Nutzfahrzeugen aus - bei Flurförderfahrzeugen, bei Fahrzeugen auf dem Flughafenvorfeld oder eben im öffentlichen Personennahverkehr. Dort ist auch ein Batteriewechsel ein gangbarer Weg.

Die Vorteile des Battery-Swapping bei Nutzfahrzeugen liegen vor allem darin, dass diese Fahrzeuge zumeist vordefinierte Routen fahren. Denn Busse, die im Stadt- oder Nahverkehr eingesetzt werden, fahren keine Fernstrecken. Die Reichweitenproblematik kommt hier nicht zum Tragen. Für das Battery-Swapping sprechen auch die kurzen Stillstandszeiten der Busse - die Ladezeiten spielen auch keine Rolle, weil der Bus mit Austauschbatterien fährt, während die Batterien im Depot geladen werden.

Für die Batterie-Einheiten der Elektrobusflotte im Personennahverkehr der ostchinesischen Hafenstadt Qing-dao suchte die XJ Group Corporation als Betreiber eine geeignete Steckverbinderlösung. Die größte Herausforderung lag darin, eine Ladestation in weniger als sechs Monaten auf die grüne Wiese zu stellen.

Batterietausch in sieben Minuten

Für das Projekt in Qingdao waren die Stillstandszeiten der Busse beim Laden so gering wie möglich zu halten. Daher entschieden sich die Planer für das Wechselbatterie-Konzept. In den Wechselstationen werden in einer beidseitig mit Robotern bestückten Gasse die leeren Batterien vollautomatisch gegen aufgeladene ausgetauscht (Bild 1). In rund sieben Minuten sind die Batterieeinheiten komplett getauscht und der Bus nimmt »vollgetankt« wieder Fahrt auf. Das gesamte System wird von der Steuerzentrale in der Ladestation aus überwacht.

Jede Batterie (Bild 2) ist jederzeit über ihre Kennung mit ihren aktuellen Betriebsdaten zugänglich, auch die Batterien in den fahrenden Bussen werden über Telemetrie und Internet überwacht. Jeder Bus hat seine eigenen Batterien und Ladeplätze. Möglich macht den schnellen Batteriewechsel erst ein robustes und zuverlässiges Stecksystem, das Phoenix Contact speziell für Elektronutzfahrzeuge im Dauereinsatz entwickelt hat.

Da die Batterien durch das mehrfache Laden und Entladen pro Tag einer hohen Belastung ausgesetzt sind, muss das Laden schonend, aber zügig ablaufen. Wichtige Anforderung an die Steckverbinderlösung war daher auch eine integrierte Ausgleichsmechanik, die ein maschinelles Stecken unter definierten Abweichungen überhaupt erst ermöglicht (Bild 3).

Durch ein integriertes Datenmodul kann neben dem gezielten Management und der Überwachung des Ladevorgangs die Temperatur überwacht werden, um mögliche Überhitzungen zu vermeiden. Das Datenmodul sichert die Stromversorgung und die Kommunikation des Battery-Management-Systems über einen CAN-Bus. Das Stecksystem ist aufgrund seiner Dimensionierung und Materialbeschaffenheit für Ströme bis 400 A und Spannungen bis 750 V ausgelegt.

Jeden Tag werden die Batterien von rund 200 Bussen zwei bis drei Mal an der Wechselstation getauscht. Zu jedem Bus gehören 18 Batterien - neun, die fahren, und neun, die laden. Die Reichweite der Busse beträgt etwa 120 km. Die Busse fahren seit Juni 2011 - nach einem kurzen Versuchsbetrieb - im öffentlichen Verkehrsnetz. Inzwischen wurden über 6000 Steckerpaare nach China geliefert.

Produziert werden sie zurzeit in Blomberg, aber  bald auch in Nanjing. Die Batterien selbst kommen aus China, dort werden auch die Steckverbinder eingebaut. So kamen bisher mehrere hunderttausend Batteriewechsel zustande - über zwei Millionen Kilometer wurden inzwischen mit diesem System zurückgelegt. Die Steckverbinder von Phoenix Contact haben ihre Aufgabe bis jetzt störungsfrei erfüllt.

Elektromobilität ist zurzeit ein großes Versuchslabor, erste Anwendungen müssen sich derzeit in Praxistests und ersten Echtbetriebs-Applikationen bewähren. In Qingdao sind weitere Ladestationen in Planung oder sogar schon im Bau, denn Ende 2013 sollen bereits 1500 E-Busse dort fahren. Auch in anderen Städten Chinas entstehen zurzeit Ladestationen. Dort ist Phoenix Contact in weiteren Projekten dieser Art involviert, und auch in Europa besteht großes Interesse an Lösungen mit Battery-Swapping im Nutzverkehr.

Über die Autoren:

Stefan Grimm ist im Marketing Geräteanschlusstechnik tätig und Berni Lörwald arbeitet in der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, beide bei Phoenix Contact.

Kombiniertes AC-/DC-Ladesystem für Pkw   
Anders als bei Nutzfahrzeugen spielen im Pkw-Bereich vor allem Anschaffungspreis und die Alltagstauglichkeit eine Rolle. Eine fest installierte Batterie muss auf unterschiedliche Weise geladen werden können.
Bei der von der Automobilindustrie angestrebten Ladezeit von circa 15 Minuten treten bei Gleichstrom (DC-Laden) Werte bis 200 A auf. Diese Lademethode eignet sich für Raststätten - etwa bei längeren Fahrten. Der Vorteil von Wechselstrom (AC-Laden) liegt dagegen in der einfachen Ladeinfrastruktur. Bei dieser Methode kann auf das Niederspannungsnetz mit 230 V zurückgegriffen werden, das in jedem Haushalt existiert.
Eine Lösung, die beide Ladeverfahren unterstützt, ist das »Combined Charging System«.  Derzeit arbeitet Phoenix Contact mit den größten fünf deutschen Automobilherstellern an diesem kombinierten AC-/DC-Ladesystem. Es erlaubt das Laden mit Wechsel- und Gleichstrom bei nur einer Buchse am Fahrzeug.