Konzept einer Wechselstation für Fahrzeug-Akkus, Stand 19.7.2021

Wir sehnen uns heute nach Akkus, die in immer kürzerer Zeit aufladbar sind. Eine Stunde und mehr warten während der nötigen Ladezeit? Und das spätestens alle 400 km, oder im Winter alle 250km? Das ist für die meisten kaum akzeptabel. Wäre es da nicht praktisch, wenn wir an einer Elektro-Tankstelle einfach den leeren gegen einen vollen Akku wechseln lassen könnten? Das ist machbar! Was es dazu braucht:

1) Neue Fahrzeuge, die ab Werk mit Schnellwechsel-Akkus für den Fahrstrom ausgerüstet sind.

2) Geeignete Gehäuse für die Fahrstrom-Akkus mit genormten Abmessungen

3) Neuartige automatische Wechselstationen für Fahrstrom-Akkus.

Gehen wir davon aus, dass Fahrstrom-Akkus meist so weit wie möglich unten im Fahrzeug angebracht sind. Die schwere Masse des Akkus verbessert so den Schwerpunkt des Fahrzeugs. Es würde daher reichen, statt der Tankklappe eine Wartungsklappe seitlich unten in die Karosserie zu integrieren. Die müsste ausreichend breit sei, um einen seitlich verschiebbaren leeren Akku herauszuziehen und ihn durch einen vollen zu ersetzen. Bei Rohrrahmen- oder Gitterrahmen-Karosserien wird das kein Problem sein. Bei selbst tragenden Blechkarosserien hingegen sind konstruktive Maßnahmen nötig, um die während der Fahrt auftretenden Kräfte um die Wechselklappe herum zu leiten. Aber auch das ist eine lösbare Aufgabe. -

Der Akku selbst ist idealerweise von einem hellem Gehäuse geschützt. Dadurch lässt sich auf allen vier Seiten ein QR-Code fälschungssicher mit Laser eingebrennen. Damit kann der Fahrzeugkonstrukteur frei entscheiden, ob er den Akkuwechsel seitlich oder in Fahrzeug-Längsrichtung vorgibt. Dieser QR-Code kann neben Hersteller- und Wartungsinformationen eine sprechende Seriennummer enthalten. Die gibt Aufschluss über Typ, Ladespannung und Baudatum. Die Wartungsklappe des Fahrzeugs benötigt nun lediglich noch ein kleines Polyacryl-Fenster, durch das eine automatisierte Austausch-Vorrichtung den QR-Code lesen kann.

Eine solche Austausch-Vorrichtung benötigt einen Hebearm, der das Gewicht des Akkus während des Wechsels trägt sowie ein oder zwei kleinere Arme, die über geeignete Greifer die Zug- und Druckbewegungen ausführen. Daran lassen sich Kameras und anderes samt Kabel anbringen, die die nötigen Informationen für den Akku-Tausch an einen Steuerungs-Computer übermitteln. Das Zentrum des QR-Codes errechnet der Steuerungscomputer aus den Positionsmarken, die es an den Außenseiten jedes gängigen QR-Codes gibt. ist bekannt. Aus einer Datei, die sich für neue Akkutypen einfacher aktualisieren lässt als eine Smartphone-Firmware, nimmt der Rechner des Wechselsystems nun die Information, in welchem Abstand zum Zentrum des QR-Codes er die Greifarme ansetzen sollen. weniger als eine Sekunde später können die Greifer loslegen. -

Nötige Fahrer-Aktion:

Es sollte reichen, wenn der Fahrer des Elektro-Autos dieses zu einem Ampelsystem bewegt, wie wir es aus Waschstraßen kennen. Wenn er dort das Grün-Signal erhält, dann ist das Fahrzeug in einer Position, wo die Kamera der Austausch-Vorrichtung das Fenster in der Wartungsklappe finden kann. Dort erhält der Steuerungscomputer die nötigen Daten für den zu tauschenden Akku-Typ aus dem QR-Code. Daraus errechnet seine Software sofort den tagesaktuellen Preis für den Wechsel des leeren gegen einen vollen Akku. Diesen Preis bekommt der Fahrer auf einem Display außen neben dem Fahrerfenster angezeigt und ein Angebot über mögliche Zahlungsmittel.

Akzeptiert der Fahrer den Preis, dann sollte ein Druck auf einen Knopf im Fahrzeug ausreichen, um den Fahrstrom-Akku in einen Wechsel-Modus zu schalten und die Wartungsklappe zu entriegeln. Die als geöffnet erkannte Wartungsklappe kann vom Wechselsystem als Startsignal zum Akkuwechsel genutzt werden. Nun kann der Ersatz des leeren durch einen vollen Akku stattfinden. Den Akku können heutige Robotik-Systeme mit ihren Kameras selbstständig finden und austauschen. Für einen Akkuwechsel braucht der Fahrer im Idealfall nicht einmal auszusteigen. Der Vorgang wird für ihn noch einfacher als Sprit tanken. Akzeptiert der Fahrer den Preis aber nicht, dann kann er genau wie in einer Waschstraße einfach wieder aus der Wechselstation heraus fahren.

Vorteile des Systems:

1) Statt der Wartezeit für die Schnellladung des Fahrstrom-Akkus sind höchstens 5 Minuten für den Akkuwechsel und die Bezahlung nötig.

2) Anhand der sprechenden Seriennummer sind zu alte Akkus und Akkus aus problematischen Baureihen sofort erkennbar und können aussortiert werden. Ein Chip im Akku kann zudem die Zahl der erfolgten Ladezyklen und Tiefentladungen aufzeichnen und an den Steuerungscomputer der Wechselstation übermitteln. Damit das keine Datenschutz-Probleme bringt sollten die Akkus Eigentum der Hersteller bleiben. So brauchen die Steuerungsrechner nur technische Daten, aber keine Personen-bezogenen Daten zu verarbeiten.

3) Die an der Wechselstation angenommenen Akkus können meist in Ruhe mit schonender Ladespannung aufgeladen werden. Dadurch sind sie viel länger nutzbar als Akkus, die häufig im Schnelllade-Modus aufgeladen werden. Denn ohne Schnellladung entfällt unter anderem die thermische Belastung der Akkus und der Ladestationen.

Engpässe hinsichtlich verfügbarer Wechsel Akkus werden bei gleicher Leistungsversorgung der Elektro-Tankstellen nicht größer sein als bei Schnell-Ladestationen: Schonende Ladezeiten dauern zwar länger, aber dank geringem Ladestrom pro Akku können erheblich mehr Akkus gleichzeitig geladen werden.

4) Mit fortschreitender Verbreitung des Systems und Realisierung der nötigen IT-Komponenten sollte eine ausreichend genaue Füllstands-Diagnose ankommender Fahrstrom-Akkus möglich sein. Anhand deren kann der Fahrer eine Gutschrift entsprechend der Restkapazität des auszutauschenden Akkus bekommen. Umgekehrt wird der Fahrer prüfen können, ob der erhaltene Austausch-Akku auch tatsächlich zu mehr als 95% aufgeladen ist.

Vorgesehene Rahmenbedingungen:

- Die Akkus werden nicht Eigentum der Fahrer, sondern bleiben Eigentum der Hersteller. Sie werden ihm für die Dauer der Fahrzeugnutzung zur Verfügung gestellt.

- Im den Wechselstationen muss ein ausreichender Vorrat genormter Wechselakkus präsent sein. Entsprechend dem Bedarf werden Anfangs weniger als zehn pro Elektro-Tankstelle erforderlich sein. Mit zunehmender Verbreitung des Systems kann diese Zahl gesteigert werden. Ich denke aber, dass eine Auslegung der Ladekapazität auf deutlich mehr als zehn Akkus, die gleichzeitig rund um die Uhr geladen werden können, von Anfang an nötig ist.

- Wenn die großen Treibstoff-Behälter der Tankstellen verschwinden, dann könnten Lagerung und Laden der Akkus in einer unterirdischen Kammer erfolgen. So wird für Elektro-Tankstellen nur ein ausreichend dimensioniertes Anschlusskabel, aber keine zusätzliche Grundstückfläche erforderlich. Eventuelle Akku-Brände lassen sich dann mit einem Löschgas ersticken, das schwerer ist als die normale Umgebungsluft. Argon und CO2 sind als Löschgas möglich, genau wie es heute in Serverräumen üblich ist.

- Vor allem am Anfang des Wechselakku-Systems wird neben den automatisierten Wechselstationen ein flächendeckendes Netz aus Servicebetrieben sinnvoll sein, die volle Wechselakkus vorrätig halten und einen manuellen Akku-Wechsel ausführen können. Mit kleinen Transportern lassen sich dann Engpässe zwischen den Servicebetrieben ausgleichen . Mit "Wechsel-Service" und "Lade-Service für ausgetauschte Akkus" ergeben sich so ganz neue Chancen für Tankstellenbetreiber.

Mag sein, dass sich nicht jeder von der Idee des Wechsel-Akkus begeistert ist. Vor allem dann nicht, wenn er gerade erst ein Fahrzeug mit fest installiertem Akku erworben hat. Aber ich stelle das Konzept hier bewusst öffentlich und unentgeltlich zur Verfügung. Damit hoffe ich Denkanstöße zu liefern, die gemeinsam mit den Ideen anderer Ingenieure zu einer brauchbaren und bezahlbaren Lösung für die Einführung von Wechselakkus für den Fahrstrom von Kraftfahrzeugen führen.

Konzept und Autor des obigen Textes:

Dipl-Ing. Arnold Antons VDI, 41564 Kaarst.

Veröffentlicht auf der Webseite https://www.antons.de am 19.7.2021

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