Leistungssteckverbinder als Link zwischen Batterie und E-Mobil

E-Mobility Leistungssteckverbinder als Link zwischen Batterie und E-Mobil

06.10.2016Autor / Redakteur: Matthias Schröder * / Kristin Rinortner

An der Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe wurde der Ape 50, der Dreirad-Transporter des italienischen Herstellers Piaggio, im Rahmen einer Technikerarbeit zu einem Elektro-Kleinlaster umgebaut.

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eepd-just-embedded-4zu1 (© E.E.P.D. GmbH)

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Die Väter der e-Ape: Studiendirektor Roland Hasenohr (links) mit den beiden Fachschülern Jochen Strubel (Mitte) und Sebastian Pfeiffer (rechts) der Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe.
(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.

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Die Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe hat das erkannt – und ein spannendes Projekt aufgesetzt. Denn dort haben angehende staatlich geprüfte Techniker im Rahmen ihrer Technikerarbeit die Projektidee ihres betreuenden Lehrers, Studiendirektor Roland Hasenohr, in den letzten zwei Jahren erfolgreich umgesetzt: den Umbau eines klassischen Dreirad-Transporters Piaggio Ape 50 (siehe Kastentext 2) zu einer elektrisch angetriebenen e-Ape-Variante. Der italienische Begriff „Ape“ bedeutet im Deutschen „Biene“.

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Piaggio Ape – Kleinlaster mit Kultstatus

1947 lief die erste Piaggio Ape vom Band – quasi als Schwestermodell der Vespa, einem Motorroller. Während dieser Urtyp noch über 125 ccm Hubraum verfügt, kommt 1953 eine Variante mit 150 ccm auf den Markt. Die dritte Generation, die Piaggio Ape C, ist das erste Fahrzeug , das eine Kabine hat. 1967 stellt der Hersteller die Ape 50 vor – das Modell gehört in die Klasse der Kleinkrafträder. Gebaut ist sie für leichte Transporte mit einem Zuladegewicht bis maximal 200 kg. Auch die Piaggio Ape 50 hat eine Kabine.

Ape – Die fleißige Biene aus Italien

Der Name für diesen Zweitakter mit einem Hubraum von 50 ccm kommt nicht von ungefähr: Minimale Außenmaße, hohe Wendigkeit und außerordentliche Sparsamkeit in Unterhalt und Verbrauch. So findet man die Dreiräder, die in Fachkreisen längst Kultstatus erlangt haben, auch in Deutschland häufig auf Messen und bei Großveranstaltungen. Oder auf einem Schulhof (Bild 1).

„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.

Antriebssteuerung neu entwickelt

Die technische Konzeption des Elektrofahrzeugs erfolgte dann 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 im Rahmen von 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, der Anwender schließt sein Fahrzeug an das Ladegerät oder an die Ladesäule an. Während dieser Zeit kann das Fahrzeug selbst nicht gefahren 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 – ein umständliches und eventuell auch unsicheres Laden am Standort des Fahrzeuges entfällt.

Batteriewechselsysteme findet man daher häufig bei Nutzfahrzeugen und im öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV). In China 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 100 kg 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.

Steckverbindersystem als zentrale Schnittstelle

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 LiFePO₄-Akku mit 100 Ah und 24 V zur Verfügung gestellt. „Die Gesamtkonzeption beinhaltet das sogenannte Battery Swapping (siehe Kastentext 1) – hier sollte ein steckbares Wechselakkusystem zum Einsatz kommen“ (Bild 2), erläutert Hasenohr. „Die Größe des Akkus ist entscheidend, damit die Biene auch in der Innenstadt mobil sein kann.“

Bei diesen Randbedingungen sollte sie eine Strecke von 50 km bei einer Geschwindigkeit von 40 km/h mit einer Akkuladung schaffen.

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