Intelligent drive package for e-trucks from Saxony

Der Markt für Transportsysteme befindet sich in einer Umbruchphase. Durch die Veränderung der ökologischen, politischen und legislativen Rahmenbedingungen gewinnen neue Lösungen an Bedeutung. Die E-Mobility bietet hier Alternativen im Güterverkehr und wird mehr und mehr alltagstauglich: Batteriegetriebene Lastkraftwagen erhalten serientaugliche Zulassung für die Straße, Güter sollen sauber und leise transportiert werden. Ebenso wünschen sich Logistiker eine hohe Leistungsfähigkeit und flexible Einsatzmöglichkeiten bei zeitgleich geringeren Betriebskosten. All dies vereint ein elektrisch angetriebener Lkw. Der so notwendige Schritt einer weitgehenden CO2-freien Lieferkette rückt so in Reichweite.

FRAMO präsentiert vollelektrische Lkw – Baureihe.

Die FRAMO GmbH aus Langenberndsdorf bei Zwickau startete 2016 mit der Produktion batterieelektrischer Nutzfahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse von 7,5 bis 44 Tonnen. Die auf MAN-Chassis aufgesetzten Fahrzeuge basieren auf einem modularen Antriebs- und Batteriekonzept. Hierbei sind alle üblichen Aufbauten wie z.B. Pritsche, Koffer, Kühlaufbauten, Müllsammelfahrzeuge, Wechselbrücke oder Absetzkipper sowie Sattelzugfahrzeuge möglich. Grundsätzlich kann der E-Lkw in allen Bereichen als Nutzfahrzeug eingesetzt werden.
FRAMO war eine sächsischeAutomobilmarke, die ab 1927 Kleintransporter, später auch kleine Pkw herstellte. Nun wird die Marke FRAMO mit einem E-Lkw wieder belebt. Geschäftsführer Andy Illgen bewirbt den E-Lkw unter dem Leitspruch „Decarbon your business!“.
Die FRAMO GmbH hat sich zum Ziel gesetzt, einen wichtigen Beitrag zur wegweisenden und dringend erforderlichen Elektrifizierung der Nahverkehrslogistik im Güterverkehr zu leisten. Die lokal-emissionsfreie Logistik reduziert deutlich die Lärm- und Luftbelastung im innerstädtischen Einsatz. Der batterieelektrische Lkw wird im Verteilerbetrieb bei kurzen Strecken oder im internen Werksverkehr eingesetzt. Hier kann beispielsweise die komplette Supply Chain optimiert werden, was wiederum einen positiven CO2–Footprint verspricht.
100 % elektrisch betriebene Nutzfahrzeuge eröffnen vollkommen neue Möglichkeiten wie Nachtverkehre in verkehrsberuhigten Zonen, Einfahrten bei prekären Luftqualitätssituationen sowie Grenz- und Zielwertüberschreitungen in Ballungsräumen. Das Einsatzgebiet für batterieelektrische Lkws ist der urbane und suburbane Raum sowie die Werkslogistik. Somit bietet sich auch die Möglichkeit, neue Logistikkonzepte zu erstellen. Beispielsweise kann der E-Lkw im 7 Tage, 24 Stunden Betrieb als geräuscharmer und emissionsfreier Pendeltransport von Güterzentren („Hubs“) aus die Feinverteilung von Waren in die City übernehmen.
In verschiedenen Studien wurde festgestellt, dass in Ballungsräumen bereits heute ein Drittel des Schwerlastverkehrs auf der Kurzstrecke unterwegs ist. Dieses Drittel ließe sich bereits heute durch emissionsarme Fahrzeuge ersetzen und somit ein sehr hohes Potenzial durch den Einsatz von elektrifizierten Fahrzeugen erschließen.

Beispiele für Anwendungsfälle sind:

  • Lokale Verteilerverkehre mit elektrischen Lkws im Teilladungs- und Stückgutverkehr
  • Shuttle-Verkehre von einem Distributionszentrum auf E-Lkws für die „letzte Meile“
  • Einsatz elektrischer Zugmaschinen im Vor- und Nachlauf des kombinierten Verkehrs

Elektrische Fahrzeuge haben wie keine anderen die Möglichkeit der flexiblen und modularen Zusammenstellung von Bausteinen wie von Batteriespeichern, Antriebsmaschinen und Ladesystemen. Diese können exakt auf die Bedürfnisse der Kunden bei der Leistung und Reichweite konfiguriert werden. Eine Ressourcenentlastung bei der Produktion und im täglichen Betrieb ist garantiert. Fahrzeugführer von batterieelektrischen Fahrzeugen fahren vorausschauender, denn sie nutzen die negative Beschleunigungsenergie bei der Rekuperation zur Energierückgewinnung und tragen so mithilfe der verfügbaren Fahrintelligenz zu höheren Reichweiten bei. Ebenso ist eine spürbare Reduzierung des Einsatzes der konventionellen Bremsen im Betrieb nachgewiesen, was wiederum  die Entwicklung von Feinstaub vermeidet und die Lebensdauer der Fahrzeuge erhöht. De exakte Auslegung der Fahrzeuge auf die Reichweiten und Leistungsbedürfnisse der Anwender wirkt sich positiv auf den TCO-Wert (Total cost of ownership) des E-Lkws aus. Durch diese Vielzahl an neuen Möglichkeiten amortisieren sich die Fahrzeuge je nach Einsatz sehr schnell.
Mit dem Truckvermieter BFS verfügt das junge Unternehmen über einen erfahrenen Partner im Bereich Service und Vertrieb. Die BFS ist mit mehr als 70 Partnern der führende Vermieter für Spezial - Nutzfahrzeuge in Deutschland und der Schweiz.

Motorisierung

Die Kunden können aus verschiedenen elektrischen Motorisierungen von 80 kW bis 420 kW wählen. Durch den modularen Ansatz kann der Antrieb  bedarfsgerecht auf das Streckenprofil ausgelegt werden. Entscheidend sind hier das gewählte Fahrzeug mit der gewünschten Nutzlast und die für diesen Zweck notwendige Steigfähigkeit. An diesem Punkt kommt die Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) als Systemlieferant für den Antrieb ins Spiel. STW entwickelt und produziert Komponenten für eine erfolgreiche Elektrifizierung, die in Nutzfahrzeugen sowie in Bau- und Landmaschinen zum Einsatz kommen. Bei der Entwicklung und Fertigung der Lösungen stützt sich STW dabei auf sein Know-how, seine Technologie und seine Infrastruktur, die sowohl kleine Stückzahlen als auch Serienfertigungen erlauben.

Das Antriebspaket

Das Herzstück bilden die powerMELA C-Antriebseinheiten, die über ein Summiergetriebe in die Achse eintreiben. Das modulare Antriebspaket von 80 bis 420kW setzt in Bezug auf Kompaktheit und Leistungsgewicht neue Maßstäbe. Durch die Integration des Umrichters in das Motorgehäuse entsteht eine geschlossene Einheit, die zudem die Einrichtung eines zentralen Schaltschranks einspart und den Installationsaufwand somit vermindert. Die Verkabelung zwischen Umrichter und Motor entfällt vollständig. Mit einer Schutzart von IP6k9k und einem schutzisolierten Aufbau ist der powerMELA C-Motor bestens für mobile Anwendungen gerüstet.
Der permanenterregte Synchronmotor hat den höchsten Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Motortechnologien. Die Minimierung der Verluste wird zudem durch eine optimale Auslegung und Abstimmung von Motor, Elektronik und Regelung erreicht. Dazu gehört die Anpassung der Leistungsdaten von Elektronik und Motor und eine bestmögliche Ansteuerung. Diese erfolgt bei der powerMELA C-Serie durch eine feldorientierte Regelung mit dem MTPA- Verfahren (Maximum Torque Per Ampere). Hierbei wird zusätzlich zur Lorentzkraft der Permanentmagneten das Reluktanzmoment des Motors verwendet und so der Motorstrom minimiert. Eine adaptive Regelung, die Änderungen von Motor-Parametern während des Betriebs berücksichtigt, trägt weiter zu einem höheren Wirkungsgrad bei. Durch die Integration des Feldschwächebetriebs wird der Drehzahlbereich um den Faktor 2 auf 6000 1/min erweitert. In diesem Betriebsbereich steht die volle Leistung unabhängig von der Drehzahl zur Verfügung.

Batteriespeicher

Als Batteriespeicher stehen Kapazitäten von 57 bis 318 kWh zur Verfügung. Durch die Verwendung von langlebigen Lithium NMC-Zellen werden bis zu 9000 Ladezyklen @ 100% DoD erwartet. Was je nach Batteriekapazität einer Laufleistung von weit über 1,0 Mio. km entspricht. Dies hängt aber maßgeblich von den Betriebszeiten bzw. den Lade- und Entladeraten ab und wird von weiteren Faktoren beeinflusst. FRAMO setzt dabei besonders auf ein thermoisoliertes Gehäuse, eine integrierte HV-Distribution sowie eine CCS-Ladeschnittstelle für  DC-Schnellladung als auch AC – Onboard Ladung. Das sichere Management der Hochvolt-Batterie wird vom STW-powerMELA mBMS organisiert.

Sicheres Management der Hochvolt-Batterie

STW bringt mit seinem mBMS-System einen kompletten Baukasten aus Hard- und Software-Komponenten für die Realisierung eines sicheren Management-Systems für Hochvolt-Batterien mit.
Die sensorischen Komponenten innerhalb des Speichers dienen zur Messung und Überwachung einzelner Zellspannungen und Temperaturen, der Ströme sowie der Bestimmung des Isolationszustands. Dynamik, Leistung und Effizienz der elektrischen Akkumulatoren richten sich nach dem Ladezustand (SOC), Gesundheitszustand (SOH) und der Temperatur der Batterie. Diese Sicherheitsfunktionen sind ein wesentlicher Bestandteil des Batterie-Management-Systems (BMS). Ihre Implementierung ist den geltenden Vorschriften und Bestimmungen für funktional sichere Systeme unterworfen, wie sie in der Norm IEC 61508 und davon abgeleiteten und anwendungsspezifischen Normen festgelegt sind.
Das redundante hochgenaue BMS enthält Messeinrichtung für Einzelzellspannungen und Zelltemperaturen. Zu jeder Batterie gehören zwei Schütze, welche ein zweipoliges Zu- und Abschalten der jeweiligen Batterie erlauben. Ergänzt werden diese Schütze von einer hochpräzisen, Shunt basierten Strommessung und Isolationsüberwachung, sowie einer Vorladeeinheit für das kontrollierte Aufladen der Zwischenkreiskapazität. Zudem verfügt das BMS über einen 32-Bit-Mikrocontroller. Seine Software ist von den funktional sicheren Komponenten entkoppelt und führt komplexere Algorithmen zur Zustandsbestimmung (aktuelle Leistungsfähigkeit, SOC und SOH) der Batterie aus.
Mit zunehmender Speichergröße gewinnt auch die Parallelschaltung, nicht nur von Zellen, sondern auch von ganzen Speichersträngen, an Bedeutung. Im Parallelbetrieb kann einem BMS eine Masterfunktion zugewiesen werden. Dieses BMS übernimmt dann die Koordination und lässt das Energiespeichersystem wie eine einzige Batterie mit entsprechend höherer Kapazität erscheinen. Somit ist eine hohe Modularität je nach geforderter Reiche zu erzielen.

Energiemanagement

Die Steuerung des Antriebspaketes erfolgt mit einer ESX-Steuerung von STW, die mit einer Software von der Fa. CuroCon programmiert wurde. Das Steuergerät CuroControlSRx bietet integrierte Sicherheitsfunktionalitäten und die Einbindung von verschiedenen Betriebsstrategien. Mittels Rekuperation kann im Bremsvorgang Energie zurückgewonnen und in das vorhandene Speichersystem zurückgeführt werden.
Ebenso können diese Fahrzeuge über die vorhandene Energieinfrastruktur geladen werden. Hierzu bietet FRAMO verschiedene DC - CCS-Schnellladestationen mit Ladeleistungen von bis zu 150 kW an. Die Schnittstellen setzt der Ladecontroller um.
Die Fahrfunktionalität ist vergleichbar mit konventionellen Fahrzeugen. Wie gewohnt werden die Fahrerassistenzsysteme elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP), elektronisches Bremssystem (EBS), Antiblockiersystem (ABS), Notbremsassistent (EBA), Notbremssignal (ESS), Lane Guard System (LGS) und ein digitaler Fahrtenschreiber angeboten. Optional können die Funktionen Klimaanlage mit permanenter Kühlungsfunktion und elektrische Heizung mit Vorheizsystem ausgewählt werden. Auch ist ein Tempomat verfügbar.
Darüber bietet die Fahrt mit einem Elektroantrieb einen Genuss in Sachen Beschleunigung und Laufruhe. Hier spielen elektrische Systeme ihren ganzen Vorteil aus, die je nach Motorisierung vollen Fahrspaß bieten.
Die Feuertaufe wurde auf der größten E-Mobil-Rally Tour der 6. WAVE „Let’s move the world“ bestanden. Hier wurden mit einem der ersten Fahrzeuge ca. 1800 km als Service- und Begleitfahrzeug zurückgelegt. Das erste Modell wurde auf der IAA-Nutzfahrzeuge im vergangenen September in Hannover dem Markt präsentiert.
Elektromobile Anwendungen etablieren sich in vielen Wirtschaftsbereichen, teilweise aufgrund öffentlichen Interesses und entsprechender Förderung, und teilweise durch eigene Erwägungen der Firmen und aufkommende regulatorische Zwänge. FRAMO  und STW sehen hier einen steigenden Bedarf beim elektrischen Lieferverkehr und werden zukünftig mehr E-Power auf die Straße zum erfolgreichen Einsatz bringen.