Sportliche EU-Grenzwerte 08. Okt 2020 Von Peter Kellerhoff/Fraunhofer LBF

Lkw-Trailer spart 20 % CO2

Elektrisch angetriebener Trailer sorgt für weniger Emissionen im Schwerverkehr

Leicht und effizient: Forschende im Fraunhofer LBF haben einen Hochvolt-Energiespeicher für Lkw-Trailer entwickelt.
Foto: Fraunhofer LBF

Seit 2019 gelten in der EU erstmals verbindliche CO2-Grenzwerte für neu zugelassene Lkw und Busse: Bis 2025 muss der durchschnittliche Kohlendioxid-Ausstoß neuer Fahrzeuge im Vergleich zu 2019 um 15 % sinken, bis von 2030 gar um 30 %. Eine sportliche Aufgabe für die Hersteller, die schon lange um jedes Prozent CO2-Reduktion ringen.

Lösungen müssen her

Wasserstoffantriebe könnten eine Lösung zur CO2-Reduzierung darstellen, rein batterieelektrische Fahrzeuge sind speziell für den Langstrecken-Gütertransport aufgrund der hohen Massen und Kosten für die Batterien allerdings schwierig umzusetzen. Eine weitere Möglichkeit der Emissionsminderung stellt das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) vor: einen besonders leichten Hochvolt-Energiespeicher für einen elektrisch angetriebenen Sattelauflieger.

Die Wissenschaftler vom LBF gaben an, dass durch den elektrischen Antrieb des Trailers der Verbrauch des Gesamtfahrzeugs auch auf langen Strecken um rund 20 % sinke. Der zusätzliche Achsantrieb verbessere darüber hinaus die Traktionseigenschaften und ermögliche ein autarkes Rangieren des Anhängers.

Rekuperation und Lastpunktverschiebung

Die Traktionskomponenten des von Industrie, TU Darmstadt und zwei Fraunhofer-Instituten entwickelten autarken Sattelaufliegerfahrzeugs mit elektrischem Antriebsmodul sind so dimensioniert, dass neben der Bremsenergierückgewinnung auch eine kurzzeitige Traktionsunterstützung sowie die Lastpunktverschiebung der Sattelzugmaschine erreicht werden. Dies führe zu einer deutlich verbesserten Kraftstoffeffizienz, was auch für den Langstreckentransport gilt. Die Forschergruppe rüstete den elektrifizierten Trailer mit einer in den Königszapfen integrierten Dünnschichtsensorik sowie eigener Steuerungs- und Regelungstechnik aus. Auf diese Weise sei nur ein Minimum an Fahrzeugkommunikation notwendig. Und mit geringen Geschwindigkeiten lasse sich die Zugmaschine unabhängig, beispielsweise im Logistikzentrum, manövrieren.

Dünnschichtsensorik

Dank seiner langjährigen Erfahrungen in der Elektromobilität konnte das Fraunhofer LBF für die Batterie eine Vielzahl von Einzelzellen im Formfaktor 18650 und mit Lithium-Metalloxid Kathodenmaterial nutzen. Das Energiespeichersystem selbst verfüge über eine Gesamtkapazität von 100 kWh und einen Spannungsbereich von 590 V bis 670 V. Dies mache es notwendig, mehr als 10 000 Einzelzellen im Rahmen einer speziellen Systemverschaltung anzuordnen. Für die langjährige Nutzung sollte eine Fahrleistung von wenigstens 700 000 km nachgewiesen werden. Dazu ermittelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in umfangreichen Untersuchungen zur Degradation der ausgewählten Zellen, dass der Entladehub auf 50 % der maximal möglichen Kapazität begrenzt werden müsse.

Spezielle Akku-Verbinder

Die zwischen der Vielzahl der Einzelzellen möglichen Toleranzen in den Kontaktpositionen machten es nötig, spezielle Stromverbinder zu entwickeln, diese aus elektrolytisch vernickeltem Kaltband anzufertigen und anschließend über Punktschweißen mit den Zellen zu verbinden. Die einzelnen Module wurden mit jeweils 240 Zellen bestückt und additiv im Sinne einer größtmöglichen Funktionsintegration so gestaltet, dass alle notwendigen Geometriemerkmale für die Zellintegration, die Hochvolt- und Niedervoltkabelführung sowie die Integration der Komponenten des Batteriemanagementsystems (BMS) berücksichtigt wurden. Im Gehäuse stapelten die LBF-Forschenden jeweils zwei Module in einer gespiegelten Anordnung mit dazwischenliegender Kühlplatte übereinander.

Leichtes Batteriegehäuse

Trotz einer Masse von 475 kg allein für die Zellen ist es dem Team des Fraunhofer LBF gelungen, die Gesamtmasse des Energiespeichers, einschließlich Kühlsystem, BMS und Gehäuse, auf knapp über 600 kg zu begrenzen. Das hierfür notwendige Leichtbaukonzept für das Gehäuse nutzte Sandwichstrukturen und glasfaserverstärkte Thermoplaste. Damit war es möglich, ein für Hochvolt-Energiespeicher besonders günstiges Verhältnis zwischen Zellmasse und Gesamtgewicht von 0,8 zu realisieren. „Mit einer solchen Ultraleichtbaulösung für einen Hochvolt-Energiespeicher sind Konzepte wie der evTrailer möglich und es gibt Perspektiven sich für das Erreichen der CO2-Minderungsziele im Gütertransport“, erklärt Rüdiger Heim, der das Verbundforschungsprojekt am Fraunhofer LBF betreute.

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