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Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität: Fahren mit der Auto-Tram

Nicht nur Busse fahren mit Strom, Wasserstoff oder einer Kombination unterschiedlicher Antriebe. Ein mögliches Zukunftsgefährt könnte die "AutoTram" sein. Sie ist so lang wie eine Straßenbahn und so beweglich wie ein Bus. Schienen und Oberleitungen sind nicht notwendig. Die "Bus-Bahn" rollt auf Gummireifen und folgt einfach weißen Linien auf der Straße. Es wird deutlich: Neue Konzepte für den Individual- und den öffentlichen Personennahverkehr sind gefragt. In dem Großprojekt "Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität", einer Forschungskooperation von 33 Fraunhofer-Instituten, erarbeiten Wissenschaftler Lösungen für die Mobilität der Zukunft. Erste Ergebnisse liegen nun vor.

Erste Konstruktionen der Auto-Tram seien bereits vor einigen Jahren am Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI in Dresden entstanden, erklärt Dr. Matthias Klingner, der das Institut seit fünf Jahren leitet. "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", fährt Klingner fort. 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 das Zukunftsgefährt 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 - so genannte Supercaps - haben im Gegensatz zu Batterien eine hohe Leistungsdichte. Sie sorgen dafür, dass die Ladung schnell gespeichert werden kann.

Dr. Ulrich Potthoff, Abteilungsleiter am IVI, erklärt das Prinzip: "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 (Direct Current; DC/DC-Wandler), 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 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 Auto-Tram ein und konfigurieren die Schnittstellen", erläutert Potthoff. Dazu gehören auch die Lithium-Ionen-Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge. Damit befassen sich Experten aus elf Fraunhofer-Instituten. Die Systeme müssen sicher, langlebig und effizient sein. Die Entwicklung dieser Packs erfolgt sowohl für Pkw als auch für die Bus-Bahn. Das Batteriesystem besteht meist aus mehreren hundert Zellen. Diese Zellen entladen sich nicht immer gleichmäßig schnell. 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".

Im Team bringen die vier Institute LBF, ISC, IWM, IVI ihre Erfahrungen auch in die Entwicklung einer neuartigen magnetorheologischen Motor-Generator Kupplung ein. Bei dieser elektrisch schaltbare Kupplung verändert unter Einfluss eines Magnetfeldes 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 Auto-Tram ihre Fahrgäste fast ohne Emissionen transportieren.

In dem Großprojekt "Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität" dient die Auto-Tram als Versuchsplattform. "Wir möchten funktionsfähige Lösungen anbieten und die Elektromobilität in Deutschland voranbringen. Mit unseren beiden Versuchsplattformen - der Auto-Tram 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: Fahrzeugkonzepte, Energieerzeugung, -verteilung und -umsetzung, Energiespeichertechnik sowie technische Systemintegration und gesellschaftspolitische Fragestellungen.

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