Mit der Autotram ins Büro

Dualspeicher aus Batterie und Kondensator und eine elektrisch geschaltete Kupplung gehören zu den ersten Ergebnissen des Großprojektes "Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität".

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 Holger Hanselka, Koordinator des Projekts. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF fördert dieses Vorhaben mit insgesamt 44 Millionen Euro für einen 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.

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.

Duales System für Stromspeicherung

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 Komponenten 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. 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 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".

Magnetfeld regelt Kupplung

Auch bei der Entwicklung einer neuartigen magnetorheologischen Motor-Generator-Kupplung brachte die Zusammenarbeit verschiedener Institute (LBF, ISC, IWM, IVI) den Erfolg. Die 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.

Fraunhofer-Gesellschaft/PH