Elektromobilität Leistungssteckverbinder als Schnittstelle zwischen Batterie und E-Mobil

Angehende Techniker der Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe haben eine Piaggio Ape 50 zu einem Elektro-Kleinlaster umgebaut. Ein Leistungssteckverbinder von Phoenix Contact verbindet das Wechselakku-System mit dem Fahrzeug und der Ladestation.

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Elektromobilität ist zurzeit in der Industrie sowie in der Verkehrsinfrastruktur ein aktuelles und zukunftsweisendes Thema. Daher sollte es auch in die Lehrpläne nicht nur der Fachhochschulen und Universitäten, sondern auch in die der berufsbildenden Schulen eingebunden werden. Die Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe hat das erkannt – und diese Erkenntnis in ein spannendes Projekt einfließen lassen: Dort haben angehende staatlich geprüfte Techniker im Rahmen ihrer Technikerarbeit eine klassische Piaggio Ape 50 zu einer elektrisch angetriebenen e-Ape-Variante umgebaut. Die Projektidee stammt vom betreuenden Lehrer, Studiendirektor Roland Hasenohr.

Fleißige Biene aus Italien

Der italienische Begriff „Ape“ bedeutet im Deutschen „Biene“. Der Name für diesen Zweitakter mit einem Hubraum von 50 cm³ kommt nicht von ungefähr: minimale Außenmaße, hohe Wendigkeit und enorme Sparsamkeit in Unterhalt und Verbrauch. So sieht man die sparsamen und fleißigen Dreiräder, die in Fachkreisen längst Kultstatus erlangt haben, auch in Deutschland häufig auf Messen und bei Großveranstaltungen – oder eben auch auf einem Schulhof.

„Im Rahmen unserer Projektarbeit haben wir zunächst den Verbrennungsmotor, das Schaltgetriebe und den Tank unseres ursprünglichen Fahrzeugs demontiert“, erläutert Hasenohr. „Das gesamte Fahrwerk, die Bremsanlage sowie das Chassis blieben unverändert – was uns die Prüfung und Zulassung des Fahrzeugs enorm erleichtert hat.“ Auch der Kabelbaum für Elektronik und Beleuchtung wurde entfernt.

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Antriebssteuerung neu entwickelt

Die technische Konzeption des Elektrofahrzeugs erfolgte von Grund auf neu – anders als bei vergleichbaren Projekten wurde hier nicht auf einen fertigen Umbausatz zurückgegriffen. Dabei gab es für den Studiendirektor und seine Schüler zahlreiche Herausforderungen. „Bei der Materialbeschaffung konnten wir auf Industrie- und Standardkomponenten zurückgreifen“, erinnert sich Hasenohr. „Die qualitativ hochwertigen Komponenten erhält unsere Schule teilweise aufgrund bestehender Sponsoring-Partnerschaften mit führenden Herstellern, zu denen auch Phoenix Contact zählt.“

Im nächsten Schritt wurde auf der Grundlage bestimmter Lastzyklen und Dynamikvorgaben eine neue Antriebssteuerung entwickelt. Um die Straßenzulassung zu erhalten, sollten sich die technischen Daten des Elektro-Dreirads – wie Leistung, Maximalgeschwindigkeit oder auch Leergewicht – so weit wie möglich an den Daten der Original-Ape orientieren. „Die Adaption des Elektromotors an das verbliebene Differentialgetriebe erfolgte über einen Zahnriemenantrieb“, so Hasenohr. „Zusammen mit der Übersetzung des Differentialgetriebes haben wir so eine passende Gesamtübersetzung für das Komplettsystem umgesetzt.“

Beim Elektromotor handelt es sich um eine Drehstromasynchronmaschine mit Geber, die für eine Bemessungsspannung von 24 V ausgelegt ist. Die elektrische Energie für das Fahrzeug wird von einem Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator mit 100 Amperestunden (Ah) und 24 V zur Verfügung gestellt. „Die Gesamtkonzeption beinhaltet das sogenannte Battery Swapping – hier sollte ein steckbares Wechselakkusystem zum Einsatz kommen“, erläutert Hasenohr. „Die Größe des Akkus ist entscheidend, damit die Biene auch in der Innenstadt mobil sein kann.“ So sollte sie eine Strecke von 50 km bei einer Geschwindigkeit von 40 km/h mit einer Akkuladung schaffen.

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Flexible Nutzung dank steckbarem Wechselakku-System

„Was wir jetzt noch brauchten, war ein Hochleistungssteckverbinder, der das Wechselakkusystem im Fahrzeug mit den Verbrauchern sowie außerhalb des Fahrzeugs mit der Ladestation verbindet“, erinnert sich Hasenohr. Hier entschied sich das Projektteam um den Studiendirektor für das Steckverbindersystem PC 35 von Phoenix Contact. Da aufgrund der geringen Spannung hierbei hohe Ströme fließen, müssen die Leitungen hohe Anschlussquerschnitte besitzen. „Der Steckverbinder aus der Serie PC 35 nimmt hier Leiteranschlüsse bis zu 35 mm² auf“, sagt Hasenohr. „Der maximale Strom von 125 A, der durch den Einsatz einer integrierten Stahlüberfeder am Kontakt möglich ist, bietet uns hier zusätzliche Reserven“.

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Während die e-Ape mit dem einen Akkublock unterwegs ist, kann ein zweiter auf dem Schulgelände, zum Beispiel in einer Photovoltaik-Ladestation, geladen werden. „Ein bequemes Handling mit geringen Steck- und Ziehkräften war für uns ein besonderes Kriterium bei der Auswahl des Steckverbinders“, erklärt Hasenohr. „Die Verriegelung erfolgt mittels Schraubflansch – gemäß den gültigen Sicherheitsbestimmungen.“

Symbiose aus Moderne und Tradition

Die „Heinrich-Hertz-e-Ape“ vereint Traditionelles mit Zukunftsweisendem. Das Fahrzeug wird seit den 50er-Jahren vom italienischen Hersteller nahezu unverändert gebaut. Die zur e-Ape umgebaute Variante stammt aus den neunziger Jahren des 20. Jahrhunderts. Die Symbiose von Tradition und Moderne spiegelt sich auch im Cockpit wider: unten der traditionelle Original-Tachometer, der von einer Welle angetrieben wird, die bis zum Differentialgetriebe reicht; darüber ein hochmodernes Multifunktionsdisplay, welches über ein Bussystem mit dem Umrichter kommuniziert.

Beim Umrichter handelt es sich um einen speziell für Fahrantriebe entwickelten Frequenzumrichter, der aufgrund der verwendeten Batterietechnik direkt mit 24 VDC in den Zwischenkreis gespeist wird. Durch dieses Verfahren wird die Rekuperation – also die Energierückspeisung in den Akku – erheblich vereinfacht. Sicherheitsrelevante Bedingungen werden vom Umrichter vorgegeben und deren Einhaltung wird überprüft. Eine korrekte Einschaltreihenfolge und Fahrerpräsenz über einen Sitzschalter sind nur zwei Beispiele.

Fazit: Drei Bienen mit einer Klappe

Roland Hasenohr blickt inzwischen zufrieden auf sein Projekt zurück: „Unsere e-Ape verrichtet nun – nach Fertigstellung durch die Schüler der Fachschule für Technik, nach der Abnahme durch den TÜV und nach der Zulassung als „dreirädriges Kleinkraftrad“ – als fleißige Elektrobiene fast täglich ihren Dienst.“ Dabei spielen auch die vielen Vorteile des Leistungssteckverbinders PC 35 von Phoenix Contact eine Rolle, der als zentrale Batterie-Schnittstelle dient. „Als Schulprojekt zum Thema Elektromobilität hat unsere e-Ape inzwischen eine hohe Strahlkraft weit über den Schul-Campus hinaus“, resümiert Hasenohr. „Wir schlagen mit der e-Ape – um mal in der Fahrzeug-Terminologie zu bleiben – drei Bienen mit einer Klappe, denn das Fahrzeug ist Unterrichtsgegenstand, Lastentransporter und Image-Träger zugleich.“ (sh)

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* Dipl.-Ing. (FH) Matthias Schröder ist Vertriebsingenieur Geräteanschlusstechnik bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG

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