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Mit der Autotram ins Büro
Archiv | 24.07.2010 | Elektro- und Hybridfahrzeuge werden die Städte erobern: Autos, Räder, Busse und Bahnen. Neue Konzepte sind gefragt für den Individual- und den öffentlichen Personennahverkehr. In dem Großprojekt »Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität« erarbeiten die Wissenschaftler Lösungen für die Mobilität der Zukunft. Erste Ergebnisse liegen nun vor.
Feierabend: Die Fahrgäste stehen geduldig an der Haltestelle und warten
auf ihre Buslinie. Immer wieder steigen ihnen Abgase in die Nase, wenn
ein Bus hält und dann wieder anfährt. Dieses Szenario könnte bald der
Vergangenheit angehören – der Stadtverkehr wird sich künftig verändern:
Nicht nur Busse fahren mit Strom, mit Wasserstoff oder einer Kombination
unterschiedlicher Antriebe. Ein mögliches Zukunftsgefährt ist die
AutoTram®. Sie ist so lang wie eine Straßenbahn und so wendig wie ein
Bus und vereint die jeweiligen Vorteile der Fahrzeuge: Schienen und
Oberleitungen sind nicht notwendig – die »BusBahn« rollt auf Gummireifen
und folgt einfach weißen Linien auf der Straße.
In dem Großprojekt »Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität« dient
sie als Versuchsplattform. Das Fahrzeug ist Bestandteil des
Gesamtkonzepts der Fraunhofer-Systemforschung, einer
Forschungskooperation von 33 Fraunhofer-Instituten. »Wir möchten
funktionsfähige Lösungen anbieten und die Elektromobilität in
Deutschland voranbringen. Mit unseren beiden Versuchsplattformen – der
AutoTram® und einem Pkw – zeigen wir, dass die neuen Komponenten im
Zusammenspiel funktionieren«, sagt Professor Holger Hanselka,
Koordinator des Projekts. Das Bundesministerium für Bildung und
Forschung BMBF fördert dieses Vorhaben mit insgesamt 44 Millionen Euro
aus den Konjunkturprogrammen I und II für den Zeitraum von zwei Jahren.
Das Projekt gliedert sich in vier Themenschwerpunkte auf:
Fahrzeugkonzepte, Energieerzeugung, -verteilung und -umsetzung,
Energiespeichertechnik sowie technische Systemintegration und
gesellschaftspolitische Fragestellungen. Nach einem Jahr intensiver
Forschungsarbeit liegen nun erste Ergebnisse vor.
»Erste Konstruktionen der AutoTram® entstanden bereits vor einigen
Jahren am Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI
in Dresden. Diese Kombination aus Bus und Bahn bietet unseren Kollegen
und uns nun eine ideale Plattform, um neue Entwicklungen nicht nur in
Simulationen, sondern in Aktion zu testen«, sagt Dr. Matthias Klingner,
der das Institut seit fünf Jahren leitet. Eingebaut in das Fahrzeug
können die neuen Module aus den Forschungslabors – wie Energiespeicher,
Doppelschichtkondensatoren und Kupplungen – ihre Fähigkeiten in der
Praxis beweisen.
Anders als Autos, die im Durchschnitt 23 Stunden am Tag parken – sind
Busse und Bahnen den ganzen Tag unterwegs. So bleibt wenig Zeit, die
Batterien zu laden. Ein Lösungsansatz für die AutoTram® sind
Schnellladestationen an Haltestellen. An jedem dritten oder vierten
Haltepunkt kann Strom gezapft werden. In 30 bis 60 Sekunden muss die
erforderliche Energiemenge bei mehr als 1000 Ampere und 700 Volt
aufgetankt werden. In dieser kurzen Zeit ist das nur mit
Superkondensatoren möglich. Die Forscher arbeiten an den dazu
notwendigen Modulen: beispielsweise an Energiespeichern, die auf
Doppelschichtkondensatoren basieren, an Hochleistungswandlern und an
Kontaktsystemen zur Übertragung des Stroms. Die
Doppelschichtkondensatoren – auch Supercaps genannt – haben im Gegensatz
zu Batterien eine hohe Leistungsdichte. Sie sind es, die dafür sorgen,
dass die Ladung schnell gespeichert werden kann.
Dr. Ulrich Potthoff, Abteilungsleiter am IVI, erklärt das Prinzip
anschaulich: »Batterien benötigen ihre Zeit, um aufgeladen zu werden.
Man kann das vergleichen mit einer großen Badewanne mit kleinem Zufluss.
Kondensatoren dagegen nehmen die Ladung sehr schnell auf, wie eine
kleine Badewanne mit großem Zufluss. Allerdings können sie nur eine
geringere Menge Energie speichern.« Die Ingenieure arbeiten daran, das
Batteriesystem und die Kondensatoren für diese Anwendung im städtischen
Verkehr zu verknüpfen. »Wir entwickeln Dualspeicher und testen auch die
Kombination mit anderen Speichertypen und Brennstoffzellen«, ergänzt
Potthoff. Seine Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme
und Bauelementetechnologie IISB steuern neue Entwicklungen der
leistungselektronischen Komponenten bei, wie einen
Gleichspannungswandler, der das Spannungsniveau anpasst. Diese
DC/DC-Wandler sind notwendig, um die Doppelschichtkondensatoren mit dem
Antriebsstrang zu koppeln. Entscheidend sind auch Materialien, die der
Hochstromübertragung Stand halten. Die Oberfläche der Kontakte muss sehr
stabil und verschleißfest sein. Geeignete Materialien und ihre
Verarbeitung haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS gefunden.
»Die Bauteile sind so aufeinander abzustimmen, dass sie mit allen
anderen Kom-ponenten harmonieren. Wir passen am IVI die Module in das
Gesamtsystem der AutoTram® ein und konfigurieren die Schnittstellen«,
erläutert Potthoff. Dazu gehören auch die Lithium-Ionen-Batteriesysteme
für Elektrofahrzeuge. Damit befassen sich Experten aus elf
Fraunhofer-Instituten unter Hochdruck – keine einfache Aufgabe, denn an
Batterien und elektrische Systeme werden höchste Anforderungen gestellt.
Sie müssen sicher, langlebig und effizient sein. Die Entwicklung dieser
Packs erfolgt sowohl für Pkws als auch für die Autotram®. Das
Batteriesystem besteht meist aus mehreren hundert Zellen, und die
entladen sich nicht immer gleichmäßig schnell. Und wenn einzelne
ausfallen oder nicht mehr die vorgesehene Leistung bringen, kann die
gesamte Batterie in Mitleidenschaft gezogen werden. Die einzelnen Zellen
werden durch ein übergeordnetes Energiemanagementsystem gesteuert.
Projektleiter Dr. Matthias Vetter vom Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesysteme ISE in Freiburg, der das Vorhaben koordiniert, erklärt
das Grundprinzip: »Die Elektronik misst in Bruchteilen von Sekunden den
Strom, die Einzelzellspannung sowie die Temperatur und ermittelt daraus
den Lade- und Alterungszustand. So lässt sich für jede Zelle erkennen,
ob Überladungen, Tiefentladungen, zu starke Erwärmung oder vorzeitige
Alterung drohen«.
Teamarbeit ist der Schlüssel zum Erfolg: So bringen die vier Institute
LBF, ISC, IWM, IVI ihre Erfahrungen in die Entwicklung einer neuartigen
magnetorheologischen Motor-Generator Kupplung ein. Diese elektrisch
schaltbare Kupplung funktioniert folgendermaßen: Unter Einfluss eines
Magnetfeldes verändert eine integrierte Flüssigkeit ihre Konsistenz von
flüssig zu fest. Der Kupplungsvorgang kann damit präzise gesteuert
werden. Ausgerüstet mit hocheffizienten elektrischen Antriebsmotoren und
Steuergeräten sowie Hochleistungsbatterien und Superkondensatoren kann
die AutoTram® ihre Fahrgäste fast ohne Emissionen transportieren. Es
sind jedoch noch technologische Hürden zu nehmen, bis die Fahrgäste, die
an den Bushaltestellen warten, keine Abgase mehr einatmen zu brauchen.
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