Ladetechnologie Fahrerlose Transportsysteme schnell und kontaktlos laden

Fahrerlose Transportsysteme finden in Produktion und Intralogistik zunehmend Einsatz. Der Knackpunkt: Die kleinen Elektroflitzer sollten schnell und einfach aufgeladen werden können. Doch welche Ladetechnologie eignet sich dafür?

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Um einen nahezu ununterbrochenen Betrieb von Fahrerlosen Transportsystemen (FTS) zu gewährleisten, sind intelligente Ladesysteme gefragt. Induktive Schnellladesysteme sind flexibel integrierbar, schnell betriebsbereit und benötigen wenig Platz.
Um einen nahezu ununterbrochenen Betrieb von Fahrerlosen Transportsystemen (FTS) zu gewährleisten, sind intelligente Ladesysteme gefragt. Induktive Schnellladesysteme sind flexibel integrierbar, schnell betriebsbereit und benötigen wenig Platz.
(Bild: Wiferion)

In immer mehr Produktionshallen und Lagern wimmelt es von kleinen Fahrzeugen, die ganz selbstständig Materialien von A nach B transportieren – sogenannte Fahrerlose Transportsysteme (FTS). Es gibt sie in verschiedenen Ausführungen für unterschiedliche Aufgaben, beispielsweise als automatisierter Gabelstapler für die flexible Aufnahme von Paletten, Werkstücken oder Großladungsträgern, die bodenseitig oder in Regalsystemen angeordnet sind. Unterfahrschlepper und Routenzüge transportieren rollengelagerte Behälter und Zugrahmen durch Unterfahren und Andocken. Dabei ist das FTS als reine Antriebseinheit zu sehen, welche die Transportbehälter und Rahmen nach dem Kupplungsvorgang über entsprechende Bolzen bewegt. Die fahrerlosen Transportfahrzeuge können auch mit einer zusätzlichen Hubeinheit kombiniert werden, um verschiedene Höhen in Entlade- und Beladestationen zu erreichen oder Komponenten anzuheben. Die Steuerung der FTS ist zum Teil sehr komplex und nicht standardisiert. Daher ist es zum jetzigen Zeitpunkt auch nicht möglich, Fahrzeuge unterschiedlicher Hersteller mit einer Leitsteuerung zu koordinieren.

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Um effiziente Prozesse zu gewährleisten, muss das Material in der Produktion zum richtigen Zeitpunkt an der Fertigungslinie bereitstehen. Im Industrie-4.0-Zeitalter erfolgt die smarte Produktion zum Teil in konfigurierbaren Zellen, die auf einem Raster angeordnet sind. FTS transportieren Teile und Werkzeuge in die Zellen, die jederzeit individuell erweitert werden können. Dieses Matrix-Konzept ermöglicht eine automatische Umrüstung auf wechselnde Produkttypen für die Serienproduktion – ohne Wartezeiten und ohne Produktionsausfälle.

Der Closed-Loop-Ansatz in der Fertigung beschreibt einen geschlossenen Kreislauf mit festgelegten Stationen, wobei Maschinen und Messtechnik miteinander kommunizieren. Im frühen Fertigungsstadium sind dadurch Dimensionen, Toleranzen und andere Eigenschaften verifizierbar.

Beide Konzepte haben ihre Vor- und Nachteile, auch im Hinblick auf die Auslegung der FTS. So ist es beispielsweise aufgrund der flexiblen Einsatzmöglichkeiten der FTS in der Matrix sehr schwierig, immer gleichbleibende Fahrzyklen festzulegen. Intelligente Energiekonzepte sind gefragt, um eine optimale Größe der Energiespeicher zu bestimmen.

Kabelgebundene Ladekonzepte und ihre Schwachstellen

„Die Energiebedarfsplanung wird künftig immer bedeutsamer. Dabei muss eine optimale Integration der Ladeprozesse gewährleistet sein“, sagt Johannes Mayer, Geschäftsführer und Mitbegründer der Wiferion GmbH.
„Die Energiebedarfsplanung wird künftig immer bedeutsamer. Dabei muss eine optimale Integration der Ladeprozesse gewährleistet sein“, sagt Johannes Mayer, Geschäftsführer und Mitbegründer der Wiferion GmbH.
(Bild: Wiferion)

Ob Matrix-Konzept oder Closed-Loop-Ansatz – FTS sind überall einsatzfähig und bewegen das benötigte Material schnell und flexibel von A nach B. Als leistungsstarkes Energiespeichersystem gehören Lithium-Ionen-Batterien mittlerweile zum Standard der Fahrzeuge. Die deutlich höhere Lebensdauer im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien und die einfache Integration in intralogistische Abläufe sprechen für sich. So lassen sich die Batterien schnell und einfach zwischenladen. „Die Energiebedarfsplanung wird künftig immer bedeutsamer“, sagt Johannes Mayer, Geschäführer und Mitbegründer bei der Wiferion GmbH. „Dabei muss eine optimale Integration der Ladeprozesse gewährleistet sein.“

Kabelgebundene Ladekonzepte sind oft nur schlecht automatisierbar und konventionelle Ladekontakte haben ebenfalls entscheidende Nachteile. Im zweiten Fall fahren die FTS zu den eingerichteten Ladestationen und starten nach Erreichen der Ladekontakte den Ladevorgang. Sie fehlen dann aber im Produktionsprozess. Um einen unterbrechungsfreien Produktionsablauf und eine ständige Verfügbarkeit sicherzustellen, ist somit eine höhere Zahl an Fahrzeugen notwendig. Zudem ist eine aufwendige Beschaltung und eine Absenkkinematik erforderlich, damit Kontakte nur zum Ladezeitpunkt aktiviert werden. Nach Beendigung des Vorgangs muss der Kontakt sofort wieder abgeschaltet werden, da es ansonsten zu unerwünschten Stromübertragungen und Funkenbildung kommt. Häufig ist der Ladepunkt aus Gründen des Arbeitsschutzes nicht in unmittelbarer Nähe der Produktionsbereiche angebracht, sondern befindet sich weiter entfernt in extra dafür eingerichteten Ladezonen, manchmal sogar außerhalb der Produktionshalle.

Die Konstruktionen der Ladestationen sind bei höheren Strömen komplex und teuer da große Energieübertragung erst durch starke Kontaktkräfte möglich werden, die wiederum von den Ladestationen abgefangen werden müssen. Ein größerer Wartungsaufwand ist vonnöten, um einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen. Bei leichten Fahrzeugen entsteht so auch eine Limitierung beim Ladestrom.

Was induktives Laden über Leitliniensysteme bedeutet

Das Laden der Lithium-Ionen-Batterien über Leitliniensysteme ist weniger verbreitet als das Laden über Ladekontakte. Das Fahrzeug bewegt sich auf definierten Fahrwegen. Um die Leiter im Boden zu installieren, sind bauliche Eingriffe in die Infrastruktur notwendig. Die Anzahl der FTS, der Energiebedarf und der Fahrweg bestimmen die Auslegung des Systems. Der Einspeisepunkt wird definiert und so dimensioniert, dass alle Fahrzeuge zu einem Zeitpunkt mit einer entsprechenden Menge an Energie versorgt werden können. Die Fahrstrecke wird dauerhaft mit Energie versorgt. Um das System optimal abzustimmen, ist eine Vorkonfiguration der Station erforderlich. Bei diesem System ist jederzeit ein Zwischenladen möglich. Allerdings ist die Lösung relativ teuer und unflexibel. Wird der Fuhrpark erweitert oder ändern sich Fahrwege, stößt das System an seine Grenzen. Je nach Auslegung und Einsatzanzahl der Fahrzeuge bewegen sich gute Leitliniensysteme in einem Gesamtwirkungsgrad von rund 60%.

Welche Vorteile kontaktlose Ladesysteme bieten

Um das volle Potenzial der Lithium-Ionen-Technologie auszuschöpfen, bedarf es kontaktloser Schnellladesysteme, wie sie beispielsweise das Unternehmen Wiferion mit der Etalink-Serie anbietet, um Zwischenladungen mit hohen Strömen zu ermöglichen. Die Systeme des Unternehmens benötigen weder Steck- noch Schleifverbindungen und sollen sich schnell und einfach installieren lassen. Die patentierte Ladetechnologie besteht dabei aus einer Wallbox und einem Ladepad, das sich an geeigneten Stellen im Logistik- und Produktionsumfeld installieren lässt.

Da wir auf mechanische Schleifkontakte verzichten, ist das System praktisch wartungsfrei; Probleme der herkömmlichen Ladeprozesse mit oxidierten Steckern oder gebrochenen Kabeln sind obsolet.

Johannes Mayer, Wiferion

Im Fahrzeug wird die Empfangselektronik mit Empfängerspule, mobiler Ladeeinheit und Energiespeicher verbaut. Sobald das FTS das Ladepad erreicht hat, beginnt der Ladevorgang. Somit ist das gesamte System innerhalb kürzester Zeit betriebsbereit. Die Komponenten sind nur über das Magnetfeld miteinander verbunden und daher für den langjährigen Dauereinsatz geeignet. „Wir sprechen bei unseren Systemen nicht nur vom kabellosen Laden, sondern vom kontaktlosen Laden“, betont Johannes Mayer. „Da wir auf mechanische Schleifkontakte verzichten, ist das System praktisch wartungsfrei; Probleme der herkömmlichen Ladeprozesse mit oxidierten Steckern oder gebrochenen Kabeln sind obsolet.“ Ein Ladepunkt kann unterschiedliche Batterien bedienen – ob 24 V oder 48 V – der Ladepunkt steht für alle Größen zur Verfügung und die Ladekennlinie ist frei programmierbar. Da keine physische Verbindung zwischen Ladegerät und Batterie aufgebaut wird, gibt die intelligente mobile Elektronik auf dem Fahrzeug vor, welche Ladeparameter von der Station geliefert werden sollen. Der Ladeprozess kann in weniger als einer Sekunde mit Volllast starten. Auch FTS unterschiedlicher Hersteller lassen sich über diese Lösung laden.

Ladesystem im Außenbereich nutzbar

Wiferion bietet mit Etalink ein Ladesystem, dessen Funktionsweise nicht von den Umgebungsbedingungen beeinflusst wird. Die Schutzklassen IP65 und IP68 belegen, dass das System vor Staub und Wasser geschützt ist. Damit ist auch eine Verwendung in Außenbereichen möglich. Das Ladesystem verbraucht nur dann Energie, wenn die Ladevorgänge stattfinden. Der Wirkungsgrad des induktiven Schnellladesystems liegt bei bis zu 93 % und somit laut Hersteller im Bereich der besten kabelgebundenen Ladegeräte. Leere Batterien und Lastspitzen können durch regelmäßiges Zwischenladen der Fahrzeuge vermieden werden. Die Fahrzeuge sind im Prozess verfügbar und die Batterien können kleiner und kompakter ausfallen als bei traditionellen Ladekonzepten. Da zusätzliche Ladepausen und Stillstandzeiten entfallen, sollen sich die Verfügbarkeiten der Fahrzeuge um bis zu 30 % erhöhen.

Wie das Ladesystem installiert und integriert wird

Das Ladesystem von Wiferion soll sich einfach bedienen und nahezu überall installieren lassen – an Wänden, auf dem Boden, auf Fahrwegen, an Abstellplätzen oder Be- und Entladestationen. Für die Implementierung einer Automatisierung mit der Wireless-Charging-Technologie von Wiferion sind keine aufwändigen Infrastrukturmaßnahmen erforderlich. Schnell soll sich das modulare System an Veränderungen im Ablauf oder neue Anforderungen anpassen lassen. Ladeeinheit und Empfängerspule können Wiferion zufolge innerhalb kurzer Zeit am Fahrzeug installiert werden. Da mobile Elektronik und Empfängerspule getrennte Bauteile sind, lassen sich zahlreiche Anbringungsvarianten realisieren.

„Wir bieten mit Etalink einen Kommunikationskanal für verbesserte Prozesssicherheit“, betont Johannes Mayer. „Unser Ladesystem kann auch auf die Batterietemperatur reagieren.“ Damit wird verhindert, dass die Batterie aufgrund eines erhöhten Ladestroms und somit starker Wärmeentwicklung abgeschaltet werden muss. Um ein optimiertes Aufladen der lithiumbasierten Batterien zu gewährleisten, erfolgt die Kommunikation mit den Fahrzeugkomponenten über eine integrierte Can-Schnittstelle. Energielevel, Betriebszeiten sowie Fahrzeugzustände lassen sich darüber in Echtzeit abrufen.

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