[Back]

T. Bruckmüller:
"Analyse bestehender Batteriewechselsysteme hinsichtlich Modulaufbau, Fahrzeugintegration und Wechselvorgang sowie Ableitung eines Umsetzungskonzeptes";
Supervisor: B. Geringer, W. Tober; TU Wien | Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, 2016.

Der momentan vorhandene Trend zu alternativen Antrieben rückt das elektrische Fahrzeug immer weiter in den Vordergrund. Neben den Vorteilen des elektrischen Fahrens, wie der Möglichkeit zu rekuperieren oder der lokal emissionslosen und geräuscharmen Fahrt, sind die Nachteile der geringen Reichweite in Kombination mit
der hohen Ladezeit und dem hohen Batteriepreis, Grund für die geringe Verbreitung dieser Antriebsart. Mit höheren Ladeleistungen wird diese Problematik zwar entschärft, jedoch oftmals auf Kosten der Batterielebensdauer. Dabei ist es in den meisten Fällen
gar nicht notwendig über eine Batterie zu verfügen, die hunderte Kilometer Reichweite ermöglicht. Trotzdem kann man eine Tendenz zu größeren Kapazitäten erkennen, da auf die Möglichkeit, eine große Strecke zurücklegen zu können, nicht verzichtet werden
will. Die Nachteile dieser Methode liegen in den höheren Batteriekosten und dass auch bei kurzen Fahrten sehr hohe Batteriegewichte mitgeführt werden müssen.
Um diese Nachteile zu reduzieren, wäre es auch möglich die entladene Batterie gegen eine extern geladene Batterie zu tauschen. Dies ermöglicht einerseits eine schnelle Weiterfahrt, andererseits kann die Batterie unter schonenden Bedingungen in der Station geladen werden. Es existieren zahlreiche Batteriewechselsysteme mit
unterschiedlicher Ausprägung (Studien oder real ausgeführte Konzepte) und Verbreitungsgrad, jedoch haben sich diese bisher nicht durchsetzen können.
Insbesondere die Verwendung im gemischten Lokalverkehr, der ein solches System hochfrequentiert benutzen würde, wäre von Vorteil.
In dieser Arbeit werden die bestehenden Batteriewechselsysteme untersucht und die Gründe für die geringe Verbreitung ermittelt. Dazu werden deren Eigenschaften und Aufbau analysiert. Daraus werden die Stärken und Schwächen erfasst sowie das Verbesserungspotential aufgezeigt. Des Weiteren werden die Anforderungen an ein
Wechselsystem für eine gemischte Flotte (PKW, NFZ, Bus) für den lokalen Verkehr ermittelt. Basierend auf diesem Anforderungsprofil und den notwendigen Verbesserungen, wird mit einem einfachen Berechnungsmodell eine erste eigene Auslegung zur Beschreibung der erforderlichen Reichweite, Kapazität, Bauform,
Konnektivität und dergleichen durchgeführt. Darauf aufbauend wird ein eigenes Konzept entwickelt, dessen Ziel die gemeinsame Verwendung eines Batteriewechselsystems durch verschiedenste Fahrzeugtypen und -anwendungen ist. Die Analyse der bestehenden Batteriewechselsysteme hat ergeben, dass es eine Vielzahl an Lösungen gibt, die sich teilweise sehr stark voneinander unterscheiden.
Dies reicht von der Art des Wechsels, welcher vollautomatisch oder manuell erfolgen kann, bis hin zur Bauweise und Position der Batterie im Fahrzeug. Die Systeme wurden entsprechend der ermittelten Anforderungen an ein solches System bewertet und das Verbesserungspotential aufgezeigt. Dabei hat sich gezeigt, dass sich die Gründe für die geringe Verbreitung von Wechselsystemen nicht auf technische Probleme zurückführen lassen.
Die betrachteten Fahrzeuge wurden auf insgesamt fünf Fahrzeugklassen bzw.-anwendungen beschränkt: PKW (Taxi), leichtes NFZ (kurz), leichtes NFZ (lang), mittelschweres NFZ (lokal), Bus (städtischer Verkehr). Für diese Gruppen wurde ein Anforderungsprofil ermittelt und darauf basierend eine erste eigene Auslegung durchgeführt. Dabei stand eine modulare Bauweise, das heißt die Verwendung
mehrerer gleicher Pakete (Taxi 2, Bus 4) für alle Fahrzeugarten, im Vordergrund.
Dadurch ergeben sich logistische sowie kostentechnische Vorteile. Des Weiteren wurde eine Lebensdauerabschätzung und eine End-of-Life Betrachtung durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass sich gegenüber einem elektrischen Fahrzeug mit fest verbauter
Batterie erhebliche Lebensdauersteigerungen durchführen lassen. Zusätzlich konnte in einer ersten Abschätzung gezeigt werden, dass bei reiner Betrachtung der Batterie und Energiekosten, ein großer Kostenvorteil durch ein Wechselsystem, gegenüber einem konventionellen Antriebskonzept mit Verbrennungsmotor, erzielbar ist. Die Vorteile resultieren, neben der Elektrifizierung des Antriebsstranges, aus der bedarfsgerechten Auslegung der Batterie.
Die Herausforderungen für eine Umsetzung eines solchen Systems liegen vor allem in der Verbreitung des elektrischen Antriebes selbst und in der Standardisierung der Batteriesysteme. Letzteres ist hierbei von großer Bedeutung, da das Fahrzeugdesign und -Struktur durch die teilweise großen Batterien maßgeblich beeinflusst wird. Darüber
hinaus weisen gemeinsam verwendete Wechselstationen, trotz der Möglichkeit der langsamen Batterieaufladung, hohe infrastrukturelle Anforderungen auf. Um den betrieblichen Ablauf der Benützer nicht zu stark zu beeinflussen, muss der Wechsel außerdem schnell erfolgen. Eine genaue Positionierung des Fahrzeuges spielt dabei eine wichtige Rolle. Zukünftig wäre es denkbar, dass diese Aufgabe von Fahrerassistenzsystemen übernommen wird.