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Elektromobilität Leistungssteckverbinder als Schnittstelle zwischen Batterie und E-Mobil

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Matthias Schröder / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Angehende Techniker der Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe haben eine Piaggio Ape 50 zu einem Elektro-Kleinlaster umgebaut. Ein Leistungssteckverbinder von Phoenix Contact verbindet das Wechselakku-System mit dem Fahrzeug und der Ladestation.

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Elektrisch betriebene „Arbeitsbiene“: Auf dem Gelände der Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe steht die e-Ape auch für Lastentransporte zur Verfügung.
Elektrisch betriebene „Arbeitsbiene“: Auf dem Gelände der Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe steht die e-Ape auch für Lastentransporte zur Verfügung.
(Bilder: Phoenix Contact)

Elektromobilität ist zurzeit in der Industrie sowie in der Verkehrsinfrastruktur ein aktuelles und zukunftsweisendes Thema. Daher sollte es auch in die Lehrpläne nicht nur der Fachhochschulen und Universitäten, sondern auch in die der berufsbildenden Schulen eingebunden werden. Die Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe hat das erkannt – und diese Erkenntnis in ein spannendes Projekt einfließen lassen:

Dort haben angehende staatlich geprüfte Techniker im Rahmen ihrer Technikerarbeit eine klassische Piaggio Ape 50 zu einer elektrisch angetriebenen e-Ape-Variante umgebaut. Die Projektidee stammt vom betreuenden Lehrer, Studiendirektor Roland Hasenohr.

Fleißige Biene aus Italien

Der italienische Begriff „Ape“ bedeutet im Deutschen „Biene“. Der Name für diesen Zweitakter mit einem Hubraum von 50 cm³ kommt nicht von ungefähr: minimale Außenmaße, hohe Wendigkeit und enorme Sparsamkeit in Unterhalt und Verbrauch. So sieht man die sparsamen und fleißigen Dreiräder, die in Fachkreisen längst Kultstatus erlangt haben, auch in Deutschland häufig auf Messen und bei Großveranstaltungen – oder eben auch auf einem Schulhof.

„Im Rahmen unserer Projektarbeit haben wir zunächst den Verbrennungsmotor, das Schaltgetriebe und den Tank unseres ursprünglichen Fahrzeugs demontiert“, erläutert Hasenohr. „Das gesamte Fahrwerk, die Bremsanlage sowie das Chassis blieben unverändert – was uns die Prüfung und Zulassung des Fahrzeugs enorm erleichtert hat.“ Auch der Kabelbaum für Elektronik und Beleuchtung wurde entfernt.

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Antriebssteuerung neu entwickelt

Die technische Konzeption des Elektrofahrzeugs erfolgte von Grund auf neu – anders als bei vergleichbaren Projekten wurde hier nicht auf einen fertigen Umbausatz zurückgegriffen. Dabei gab es für den Studiendirektor und seine Schüler zahlreiche Herausforderungen. „Bei der Materialbeschaffung konnten wir auf Industrie- und Standardkomponenten zurückgreifen“, erinnert sich Hasenohr. „Die qualitativ hochwertigen Komponenten erhält unsere Schule teilweise aufgrund bestehender Sponsoring-Partnerschaften mit führenden Herstellern, zu denen auch Phoenix Contact zählt.“

Im nächsten Schritt wurde auf der Grundlage bestimmter Lastzyklen und Dynamikvorgaben eine neue Antriebssteuerung entwickelt. Um die Straßenzulassung zu erhalten, sollten sich die technischen Daten des Elektro-Dreirads – wie Leistung, Maximalgeschwindigkeit oder auch Leergewicht – so weit wie möglich an den Daten der Original-Ape orientieren. „Die Adaption des Elektromotors an das verbliebene Differentialgetriebe erfolgte über einen Zahnriemenantrieb“, so Hasenohr. „Zusammen mit der Übersetzung des Differentialgetriebes haben wir so eine passende Gesamtübersetzung für das Komplettsystem umgesetzt.“

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Batterie Swapping

Bei E-Mobilen sind die Batteriezellen meist fest im Gerät verbaut und der Anwender schließt sein Fahrzeug an eine Ladesäule an. Während dieser Zeit kann das Fahrzeug selbst nicht verwendet werden. Daneben existiert das Konzept der modularen Batteriespeicher und des Battery Swapping. So kann etwa die Standzeit des Fahrzeuges durch den Austausch von Batteriemodulen drastisch verkürzt werden, so dass beispielsweise Busse ihren Linienbetrieb fast verzugsfrei fortsetzen können. Bei Zweirädern kann das Batteriemodul bequem mit in die Wohnung genommen werden.

Batteriewechselsysteme findet man daher häufig bei Nutzfahrzeugen und im öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV). In China etwa haben zahlreiche Städte ihre Busflotte um elektrisch angetriebene Fahrzeuge erweitert, bei denen mehrmals täglich die Batteriemodule gewechselt werden. Dies geschieht automatisch mit einem Manipulator, der die über hundert Kilogramm schweren Batteriemodule beim Tausch in eine Ladevorrichtung bewegt. An die an den Batteriewechselsystemen befindlichen Steckverbinder, die die Phoenix Contact E-Mobility GmbH produziert, werden dabei hohe Anforderungen gestellt.

Beim Elektromotor handelt es sich um eine Drehstromasynchronmaschine mit Geber, die für eine Bemessungsspannung von 24 V ausgelegt ist. Die elektrische Energie für das Fahrzeug wird von einem Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator mit 100 Amperestunden (Ah) und 24 V zur Verfügung gestellt. „Die Gesamtkonzeption beinhaltet das sogenannte Battery Swapping – hier sollte ein steckbares Wechselakkusystem zum Einsatz kommen“, erläutert Hasenohr. „Die Größe des Akkus ist entscheidend, damit die Biene auch in der Innenstadt mobil sein kann.“ So sollte sie eine Strecke von 50 km bei einer Geschwindigkeit von 40 km/h mit einer Akkuladung schaffen.

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