Analyse bestehender Batteriewechselsysteme hinsichtlich Modulaufbau, Fahrzeugintegration und Wechselvorgang sowie Ableitung eines Umsetzungskonzeptes

Abstract

In dieser Arbeit werden die bestehenden Batteriewechselsysteme untersucht und die Gründe für die geringe Verbreitung ermittelt. Dazu werden deren Eigenschaften und Aufbau analysiert. Daraus werden die Stärken und Schwächen erfasst sowie das Verbesserungspotential aufgezeigt. Des Weiteren werden die Anforderungen an ein Wechselsystem für eine gemischte Flotte (PKW, NFZ, Bus) für den lokalen Verkehr ermittelt. Basierend auf diesem Anforderungsprofil und den notwendigen Verbesserungen, wird mit einem einfachen Berechnungsmodell eine erste eigene Auslegung zur Beschreibung der erforderlichen Reichweite, Kapazität, Bauform, Konnektivität und dergleichen durchgeführt. Darauf aufbauend wird ein eigenes Konzept entwickelt, dessen Ziel die gemeinsame Verwendung eines Batteriewechselsystems durch verschiedenste Fahrzeugtypen und -anwendungen ist. Die Analyse der bestehenden Batteriewechselsysteme hat ergeben, dass es eine Vielzahl an Lösungen gibt, die sich teilweise sehr stark voneinander unterscheiden. Dies reicht von der Art des Wechsels, welcher vollautomatisch oder manuell erfolgen kann, bis hin zur Bauweise und Position der Batterie im Fahrzeug. Die Systeme wurden entsprechend der ermittelten Anforderungen an ein solches System bewertet und das Verbesserungspotential aufgezeigt. Dabei hat sich gezeigt, dass sich die Gründe für die geringe Verbreitung von Wechselsystemen nicht auf technische Probleme zurückführen lassen. Die betrachteten Fahrzeuge wurden auf insgesamt fünf Fahrzeugklassen bzw. -anwendungen beschränkt: PKW (Taxi), leichtes NFZ (kurz), leichtes NFZ (lang), mittelschweres NFZ (lokal), Bus (städtischer Verkehr). Für diese Gruppen wurde ein Anforderungsprofil ermittelt und darauf basierend eine erste eigene Auslegung durchgeführt. Dabei stand eine modulare Bauweise, das heißt die Verwendung mehrerer gleicher Pakete (Taxi 2, Bus 4) für alle Fahrzeugarten, im Vordergrund. Dadurch ergeben sich logistische sowie kostentechnische Vorteile. Des Weiteren wurde eine Lebensdauerabschätzung und eine End-of-Life Betrachtung durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass sich gegenüber einem elektrischen Fahrzeug mit fest verbauter Batterie erhebliche Lebensdauersteigerungen durchführen lassen. Zusätzlich konnte in einer ersten Abschätzung gezeigt werden, dass bei reiner Betrachtung der Batterie- und Energiekosten, ein großer Kostenvorteil durch ein Wechselsystem, gegenüber einem konventionellen Antriebskonzept mit Verbrennungsmotor, erzielbar ist. Die Vorteile resultieren, neben der Elektrifizierung des Antriebsstranges, aus der bedarfsgerechten Auslegung der Batterie. Die Herausforderungen für eine Umsetzung eines solchen Systems liegen vor allem in der Verbreitung des elektrischen Antriebes selbst und in der Standardisierung der Batteriesysteme. Letzteres ist hierbei von großer Bedeutung, da das Fahrzeugdesign und -struktur durch die teilweise großen Batterien maßgeblich beeinflusst wird. Darüber hinaus weisen gemeinsam verwendete Wechselstationen, trotz der Möglichkeit der langsamen Batterieaufladung, hohe infrastrukturelle Anforderungen auf. Um den betrieblichen Ablauf der Benützer nicht zu stark zu beeinflussen, muss der Wechsel außerdem schnell erfolgen. Eine genaue Positionierung des Fahrzeuges spielt dabei eine wichtige Rolle. Zukünftig wäre es denkbar, dass diese Aufgabe von Fahrerassistenzsystemen übernommen wird.

Within the framework of this master thesis, the currently existing battery change systems were analysed to identify the reasons for their low distribution. Design and characteristics were assessed to determine strengths and weaknesses as well as potential of improvements. Additionally, the specifications for a battery change system that complies the requirements of different vehicles in local traffic were identified. Based on this requirement profile and the necessary improvements a model system was calculated, including range, capacity, design, and connectivity. This was furthermore used to create a concept with the purpose of one battery change system being used in different vehicles and applications. The analysis of existing battery change systems revealed very different approaches. The battery change process can be realised manually or fully automatic. The solutions for placements of the battery also vary. The different systems were evaluated according to the calculated requirements and possible improvements. It has been found that technical issues are not the cause for the low distribution of battery change systems. The vehicles were classified into the following five categories: passenger car (taxi), light-duty commercial vehicle (long), light-duty commercial vehicle (short), medium-duty commercial vehicle (local use), bus. For each group a requirement profile was calculated for a first interpretation. It focuses on a modular construction, meaning the use of different numbers of the same battery package for all vehicles, which results in advantages regarding logistic and cost. Furthermore, a lifetime assessment as well as an end-of-life consideration were conducted. It was found that the lifetime of a vehicle can be vastly enhanced by a battery change system in comparison to a permanently installed battery. Additionally, the costs of a battery change system were calculated to be substantially lower than those of conventional combustion engines. The reason for the low distribution of such a system can be found in the low distribution of electrical vehicles and in the lacking standardisation of battery systems. The latter is especially important regarding the design and structure of vehicles, which would be strongly influenced by the big batteries. Battery changing stations also pose exacting requirements to infrastructure. The change of battery must be completed quickly to allow operational processes to conclude without delay. The placement of the battery plays an important role in that. Prospectively it would be conceivable that driving assistance systems carry out the task of positioning the vehicle correctly.