Fraunhofer IPK

Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik

Elektromobilität

Speziell für die urbane Distribution werden, basierend auf der jahrelangen Erfahrung der Abteilung, optimierte Fahrzeugsysteme und -komponenten sowie Containerlösungen für elektrisch angetriebene Nutzfahrzeuge (e-NFZ) entwickelt und erprobt. Durch die enge Zusammenarbeit mit Betreibern und Kommunen bei der Entwicklung und Erprobung, erreichen wir innovative und gleichzeitig anwendungsorientierte Ergebnisse für die Stadt von Morgen.

Batteriewechselsystem für elektrisch angetriebene Nutzfahrzeuge (e-NFZ)

Ein Beispiel für ein Produkt im Bereich der Fahrzeugkomponenten für e-NFZ ist das Wechselbatteriesystem für schwere Nutzfahrzeuge, welches vom Fraunhofer IPK im Schaufensterprojekt „NaNu!“ entwickelt wurde. Ziel ist der Mehrschichtbetrieb von e-NFZ, welcher durch den Entfall von Standzeiten durch das Laden fest verbauter Batterien ermöglicht wird. 

Die F&E-Arbeiten umfassen die Entwicklung der mechanischen und elektrischen Systemarchitektur, die Entwicklung eines neuartigen Batteriemanagementsystems (BMS) mit einem aktiven Balancing und einer adaptiven Balancerstrategie, die elektrische und informationstechnische Integration des Batteriesystems im Fahrzeug sowie den Systemaufbau, bestehend aus Batteriepackaging, Aufbau der elektrischen und elektronischen Komponenten und Integration in das Bussystems des Fahrzeugs.

Das Folgeprojekt „RouteCharge“ dient zur Erprobung eines Wechselbatteriesystems in einem Feldversuch.

Modulare Wechselbatterie für e-NFZ

Das Wechselbatteriesystem, welches von der  Abteilung Verkehrstechnik entwickelt wurde, ist ein modulares System bestehend aus Batteriemodulen mit je einer Nennspannung von 115V bei einer Kapazität von 50Ah. Für die Batteriemodule des Fraunhofer Instituts wurden erstmals die genormten Batteriezellen nach DIN Spec 91252 hergestellt und verbaut. In einem Modul sind insgesamt 36 Batteriezellen mit der LiFePo Technologie verbaut, die sich durch eine hohe elektrische und mechanische Sicherheit (stark verzögerter Thermal Runaway) auszeichnen, sowie gute elektrische Eigenschaften ausweisen. Durch das integrierte, aktive Batteriemanagementsystem (BMS) und die passiven sowie aktiven Kühlsysteme zeichnet sich das Batteriesystem des Fraunhofer Instituts als sehr fortschrittliche technologische Errungenschaft aus. Die speziell für das Schaufensterprojekt NaNu! entwickelte Batterie besteht aus drei miteinander verbundenen Batteriemodulen die eine Gesamtspannung von 345V erreichen und für den Einsatz in e-NFZ vorgesehen sind. Durch eine Parallelschaltung der Batterieblöcke kann die Gesamtkapazität des Systems nach Bedarf variiert und die Nutzlastkapazität in Abhängigkeit zur Reichweite angepasst  werden. Das Plug & Play Konzept der Wechselbatterie ermöglicht den Mehrschichtbetrieb elektrisch angetriebener Fahrzeuge und führt zu einer schnelleren Amortisation der Kosten für eine elektrifizierte Fahrzeugflotte. Das Batteriesystem besitzt zudem das Potential einer Mehrfachnutzung (Dual-Use) wodurch ein hohes Umwelt- und Marktpotential entsteht. Neben der Funktion als Traktionsbatterie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge im privaten und gewerblichen Bereich, kann die NaNu Batterie als Smart Grid Anwendung für den Netzausgleich oder als Energiespeicher für die Hausversorgung eingesetzt werden.

Modulares BMS mit aktivem Balancing

Das durch die Abteilung Verkehrstechnik entwickelte Batteriemanagementsystem (BMS) bildet das Kernstück des Fraunhofer NaNu Wechselbatteriesystems. Das wichtigste Kriterium dieses Systems ist die integrierte adaptive Balancerstrategie, welche über ein aktives Balancing einen Ladungsausgleich bei wegdriftenden Zellen durchführt. Anders als bei passiven Balancer Strategien wird die Energie während des Balancierens nicht über Widerstände in Wärme umgewandelt, sondern von den energetisch stärkeren zu den schwächeren Batteriezellen über ein EnergieBUS-System geleitet. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad des Batteriesystems verbessert und ein wirtschaftlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Batteriesystemen erzielt.

Das BMS der NaNu Wechselbatterie besteht aus einem modularen und leicht konfigurierbaren System, welches  den sicheren Einsatz des Batteriesystems ermöglicht. Ein im Fahrzeug integrierter Master übernimmt das Management der individuellen Wechselbatterien für eine optimale Ausnutzung der Kapazität und Erhöhung der Ausfallsicherheit. Ebenso ist das BMS in der Lage, Daten für das Lifecycle-Monitoring jedes einzelnen Moduls bis auf Zellenebene hinunter aufzunehmen und zu speichern.

Das BMS wurde von Grund auf durch die Abteilung Verkehrstechnik entwickelt, prototypisch erprobt und in einer Kleinserie hergestellt. Der Einsatz und die Funktionalität des BMS wurden in verschiedenen Tests bewiesen. Weitere Tests und eine Datenauswertung stehen im Verlauf des Projekts RouteCharge an.

Systemintegration

Das Team der Abteilung Verkehrstechnik hat durch jahrelange Erfahrung im Bereich Systemintegration das notwendige Know-How erlangt, um diverse Systeme in unterschiedlichen Fahrzeugtypen aufzubauen und zu testen. Ein Beispiel hierfür ist der Systemaufbau eines schnelladefähigen Energieversorgungsmoduls für den elektro hydraulischen Betrieb des Sammelbehälters eines Abfallentsorgungsfahrzeugs. Hierzu zählen Konzept,  Aufbau und Test des Antriebs-, Lade  und Steuersystems für den batterie-elektrischen Betrieb des Müllsammlers sowie Entwurf und Integration des Hochvolt-Sicherheitskonzeptes. Die Abteilung ist zudem in der Lage essentielle Bestandteile bei der Systemintegration zu entwickeln um die Kompatibilität zwischen verschiedenen Systemen sicherzustellen. Hierbei wird die Planung, Dimensionierung und der Aufbau der Systembestandteile durch das Fraunhofer Institut übernommen.