Ladesteckverbinder

Batterie-Wechsel-Dich – Die etwas andere Elektromobilität

| Autor / Redakteur: Bernd Horrmeyer * / Kristin Rinortner

Bild 1: Batteriewechselsysteme bieten eine interessante Alternative zum Laden der Batterie innerhalb des Fahrzeugs
Bild 1: Batteriewechselsysteme bieten eine interessante Alternative zum Laden der Batterie innerhalb des Fahrzeugs (Bild: Phoenix Contact)

Akkus von Elektroautos müssen nicht zwingend im Fahrzeug geladen werden. Bei Nutzfahrzeugen etwa wird oft ein Batteriewechsel-System verwendet. Das stellt besondere Anforderungen an die Ladestecker.

Elektromobilität hat viele Facetten. Die Batterie kann im Fahrzeug aufgeladen oder ausgetauscht werden. Dieses Verfahren – auch Battery Swapping genannt – kommt besonders bei Nutzfahrzeugen zum Einsatz. Dabei werden an die Ladesteckverbinder besondere Anforderungen gestellt (Bild 1).

Ladesysteme für die Elektromobilität folgen unterschiedlichen Grundprinzipien. Am bekanntesten ist das konduktive Laden, bei dem zwischen der stationären Ladeinfrastruktur und dem Fahrzeug eine elektrisch leitende Verbindung aufgebaut wird, um die Batterien im Fahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen.

Auch das induktive Laden, bei dem die elektrische Energie kontaktlos zwischen der Ladeinfrastruktur und dem Fahrzeug übertragen wird, ist ein Verfahren, das allmählich den Kinderschuhen entwächst. Neu hinzugekommen ist das Prinzip des Batteriewechsels, bei dem die entladenen Batterien im Fahrzeug mittels automatisierter Manipulatoren während eines kurzen „Tankstopps“ gegen voll aufgeladene Batterien ausgetauscht werden.

Anbindung der Batteriesysteme an das Smart Grid

Dieses Verfahren verspricht durchaus Vorteile. Beim konduktiven Laden ist das Fahrzeug während des Ladevorgangs inaktiv und steht nicht zur Nutzung bereit. Beim Laden über Nacht in der Garage ist das kein Problem – bei einer Fahrt über größere Distanzen, wo zwischenzeitlich nachgeladen werden muss, fallen die Pausen jedoch ins Gewicht. So kann bislang nur mit dem DC-Hochstromladen die Pausenzeit gering gehalten werden.

Hohe Ladeströme stellen auch immer eine Herausforderung für das Stromversorgungsnetz dar – insbesondere, wenn sie ungeplant erfolgen. Im Smart Grid jedoch können Batteriewechselsysteme die Steuerung der Netzlast vereinfachen. So kann die Ladeenergie immer der aktuellen Netzlastsituation angepasst werden. Auch die Einspeisung von volatilem regenerativem Strom wird dann einfacher.

Nachteilig ist jedoch, dass pro Fahrzeug rein rechnerisch mehr als ein Batteriesatz zur Verfügung gestellt werden muss, um eine verzögerungsfreie Mobilität zu ermöglichen. Zum anderen ist die Infrastruktur für die Wechselsysteme aufwendig. Beides führt zu einer hohen Kostenbelastung.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass die Batteriewechselsysteme ein standardisiertes Format für die Batterie-Packs benötigen und dass die Einbau- und Zugangsschnittstelle zum Fahrzeug ebenfalls standardisiert sein muss. Hinzukommt die Standardisierung der elektrischen Schnittstelle und Parameter.

Ergänzendes zum Thema
 
„Battery Swapping“ in der Praxis

All dies schränkt die Fahrzeughersteller in ihrer Freiheit beim Design und bei der Leistung der Fahrzeuge enorm ein. So verwundert es nicht, dass dieses Konzept im PKW-Bereich, wo Wettbewerbsdruck und Design eine wichtige Rolle spielen, bislang nur wenige Anhänger gefunden hat.

Bild 2: Neben regulären Fahrzeugen wird das Konzept des Batteriewechsels auch für Arbeitsfahrzeuge und stationäre Energiespeicher diskutiert
Bild 2: Neben regulären Fahrzeugen wird das Konzept des Batteriewechsels auch für Arbeitsfahrzeuge und stationäre Energiespeicher diskutiert (Bild: Phoenix Contact)

Ganz anders sieht die Situation im Bereich der Nutzfahrzeuge aus. LKW, Busse und kommunale Sonderfahrzeuge wie Müllabfuhr und Straßenreinigung kommen besser mit einer standardisierten Geometrie sowie mit vereinheitlichten elektrischen Parametern zurecht.

Begrenzte Fahrstrecken und feste Routen sowie die Vermeidung der Luftverschmutzung machen das Konzept des Batteriewechsels besonders attraktiv für Linienbusse im öffentlichen Personennahverkehr (Bild 2).

Für Nutzfahrzeuge und Linienbusse interessant

Batteriewechselsysteme sind so gestaltet, dass alle Batterien, die der Energieversorgung des Fahrzeuges dienen, in einem Batterie-Pack zusammen gefasst sind. Die Batterien stellen dann die mechanische, elektrische und kommunikationstechnische Schnittstelle dar. Größere Fahrzeuge können auch mit mehreren Batterie-Packs ausgestattet sein.

Im Fahrzeug ist dann eine Aufnahmebucht angebracht, in die das Batterie-Pack eingeführt und verriegelt wird. Sobald es gewechselt werden muss, fährt das Fahrzeug zu einer Wechselstation, in der das Batterie-Pack dem Fahrzeug entnommen und gegen ein voll aufgeladenes Batterie-Pack ausgetauscht wird. Weil das Pack bis zu mehreren 100 kg wiegt, erfolgt die Handhabung zwischen Fahrzeug und Ladestation mit Hilfe eines kraftbetriebenen und automatisierten Handhabungssystems. Ein menschlicher Eingriff ist hierbei nicht möglich.

Das Laden der Batteriepacks erfolgt am gleichen Ort wie der Austausch – oder an einer separaten Ladestation. Die verfügbaren Platzverhältnisse und der Zugang zum energiereichen Mittelspannungsnetz mit einigen tausend Volt entscheiden über die Konfiguration. Die Ladestation ist hierbei als Regalsystem ausgeführt, in das die Batterie-Packs eingeführt werden. Die Technik ähnelt dem altbekannten 19-Zoll-Einschubsystem mit den Elektronikleiterplatten – allerdings ist es viel größer und schwerer. Jeder Einschubplatz ist mit einem Ladesystem verbunden, das für das Aufladen des Batteriepacks sorgt.

Anschluss an Mittelspannung vermeidet Störungen

Bei einer Vielzahl von Einschubplätzen kann die summierte Ladeleistung etliche kW betragen, sodass die Leistungsfähigkeit des Stromnetzes ein wichtiger Faktor ist. Zudem stellt ein ungeplantes Laden – insbesondere zu Spitzenlastzeiten – eine erhebliche Störung des Netzes dar. Die Lösung dieser Probleme bietet der Anschluss an die Mittelspannung und die kommunikationstechnische Einbindung in das Smart Grid. So werden hohe Ströme in der Niederspannung vermieden, und die Ladeleistung kann der Belastungssituation im Netz leicht angepasst werden. Idealerweise wird immer dann geladen, wenn genügend regenerative Energie zur Verfügung steht. Einige Energieversorger befürworten daher dieses Konzept.

Eine entscheidende Komponente zwischen dem Batterie-Pack auf einen Seite und der Ladeinfrastruktur und dem Fahrzeug auf der anderen Seite ist der Ladesteckverbinder. Aufgrund des Steck- und Abziehvorgangs durch das automatisierte System ohne manuellen Eingriff werden an den Steckverbinder Anforderungen gestellt, die bei konventionellen Steckverbindern bislang unbekannt waren.

Unvermeidbare Toleranzen bei Batterie-Pack und Regalsystem führen dazu, dass beide Seiten des Steckverbinders während des Steckvorgangs nicht ideal fluchtend zueinander stehen. Außerdem kann das Verriegelungsystem auch noch nach dem Stecken eine Relativbewegung verursachen. Hinzu kommen Schock- und Vibrationsbelastungen während des Fahrbetriebs.

Toleranzen beim Steckvorgang ausgleichen

Bei manuell ausgeführten Steckvorgängen ist ein Versatz von Buchsen- und Stiftteil des Steck-verbinders während des Steckens unproblematisch. Die taktile Rückmeldung der nicht zueinander fluchtenden Steckverbinderteile lässt den Benutzer intuitiv einen Zentriervorgang ausführen, sodass beide Teile zueinander fluchten und gesteckt werden. Dies ist bei den Steckverbindern des Batteriewechselsystems nicht möglich. Zum einen fehlt die taktile Rückmeldung, zum anderen bestimmt das Einschubsystem mit seinen Toleranzen die Lage des Batterie-Packs zum Ladesteckverbinder. Eine Zentrierung des Steckverbinderpaares zueinander ist hier nicht möglich.

Bild 3: Toleranzen im Einschubsystem werden durch einen beweglichen Einsatz im Socket ausgeglichen
Bild 3: Toleranzen im Einschubsystem werden durch einen beweglichen Einsatz im Socket ausgeglichen (Bild: Phoenix Contact)

Hier kommt das spezielle Design des Batteriewechselsteckers zum Tragen. Ein beweglicher Einsatz sorgt dafür, dass der vom Einschubsystem vorgegebene Versatz ausgeglichen wird. Um dies während des Steckvorganges zu ermöglichen, wird das bewegliche Steckverbinderteil durch Zentrierdorne zum Gegenstück hin ausgerichtet.

So wird unter allen Toleranzbedingungen des Einschubsystems immer sicher gesteckt – Toleranzen in horizontaler und vertikaler Richtung sowie sphärischer Winkelversatz werden ausgeglichen (Bild 3).

Tests untermauern die Zuverlässigkeit

Mit speziellen Tests, die alle möglichen Versatzsituationen in linearen und Winkeldimensionen berücksichtigen, wird die Zuverlässigkeit dieser Steckverbinder geprüft. Auch die Rückkehr des beweglichen Einsatzes in die Null-Lage nach dem Aufstecken des Batterie-Packs – ein kritischer Qualitätsfaktor – wird getestet. Nun wird auch beim nächsten Steckvorgang eines anderen Batterie-Packs wieder der definierte Toleranzbereich vorgefunden und sicher gesteckt.

Mithilfe dieser speziellen Eigenschaften und deren Überprüfung ist die sichere Energie- und Datenübertragung während des Ladens und des Fahrbetriebs kein Problem. Eine Vielzahl von Linienbussen im öffentlichen Nahverkehr besitzt bereits das Batteriewechselsystem und beweist in der täglichen Praxis die Robustheit dieser Lösung. Millionen von Fahrkilometern und tausende von Wechselvorgängen stellen harte Anforderungen an die Steckverbinder des Batteriewechselsystems. Mit durchdachten Steckverbindern von Phoenix Contact wird auch diese etwas andere Art der Elektromobilität vom Kopf auf die Räder gestellt.

* Dipl.-Wirt.-Ing. Bernd Horrmeyer ist Fachreferent für Standardisierung bei Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.

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