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Kabelsysteme für die Mobilität von morgen

Bild 1. Weltweit arbeiten viele Unternehmen an Konzepten für eine optimale Ladeinfrastruktur und passende Energiespeicher-möglichkeiten für Elektroautos

Bild 2. Das Ladesystem Lapp Charge wurde zusammen mit der Firma Bals entwickelt und kann in Design und Farbgebung an die Bedürfnisse der Kunden angepasst werden

Bild 3. Auf der diesjährigen Hannover Messe wurde das Ladesystem Lapp Charge live demonstriert

Laut Plan der Bundesregierung sollen bis zum Jahr 2020 rund 1 Mio. Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen unterwegs sein. Weltweit arbeiten viele Unternehmen an Konzepten für eine optimale Ladeinfrastruktur und passende Energiespeichermöglichkeiten. Dabei spielen Kabel- bzw. Leitungssysteme für die Mobilität von morgen eine wichtige Rolle. Die Lapp Gruppe hält bereits eine Reihe an Lösungen im Bereich Elektromobilität bereit.

Zur Entwicklung von praxisnahen Lösungen arbeitet die Lapp Gruppe eng mit deutschen Automobilunternehmen, Herstellern von Lithium-Ionen-Batterien und Herstellern von Ladesäulen zusammen. Die kabelgebundene Aufladung der Energiespeicher hat für die Stuttgarter die größten Zukunftschancen. So setzen die meisten Automobilhersteller aus Unternehmenssicht heute weltweit auf eine kabelgebundene Ladeinfrastruktur (Bild 1). Zum Laden der Energiespeicher kommen prinzipiell noch zwei andere Ladekonzepte in Betracht: das induktive Laden und der Batteriewechsel bzw. der Austausch der Elektrolytflüssigkeit.
Beim induktiven Laden wird das Fahrzeug über eine stationäre Magnetschleife gefahren und dort aufgeladen. Allerdings sind dafür nach heutigem Stand bis zu sechsmal längere Ladezeiten als bei der Aufladung über ein Kabel erforderlich. Auch die Auswirkungen des elektromagnetischen Felds auf den Menschen sind noch nicht ausreichend erforscht.
Der Batteriewechsel oder Austausch der Elektrolytflüssigkeit gilt unter Fachleuten als kompliziert. Für die „frischen“ Batterien müsste genügend Lagerkapazität vorhanden sein. Auch der Wechsel sollte so einfach funktionieren, dass ihn der Autofahrer selbst vornehmen kann.

Kabelgebundene Ladesysteme
Für die kabelgebundene Energieübertragung sind aktuell mehrere Systemansätze und Lademodi in der Diskussion. Grundsätzlich wird zwischen zwei Varianten unterschieden: der DC- und der AC-Aufladung. In der DIN IEC 61851-1 (VDE 0122-1) sind zurzeit vier Lademodi für leitungsgebundenes Laden definiert. Die Modi 1 bis 3 beziehen sich auf das AC-Laden mit einem im Fahrzeug befindlichen Ladegerät (Onboard-Lader), Modus 4 beschreibt das DC-Laden mit einem „Off-Board-Ladegerät“.
Die DC-Aufladung wird von einigen asiatischen Automobilhersteller verfolgt. Dabei können Schnellladungen mit bis zu 130 kW und 400 A realisiert werden. Allerdings ist diese Form des Ladens mit der aktuellen Netz- und Leitungskapazität schwierig zu realisieren. Vorteil: Mit der Gleichstromladung könnte eine Schnellladung in rund fünf Minuten erfolgen. Für den Ladevorgang mit Gleichstrom gibt es neben dem deutschen Vorschlag zur Verwendung von Stecker Typ 2 nach DIN IEC 62196-2 (VDE 0632-5-2) und dem der Erweiterung zum Combo-Stecker einen weiteren Vorschlag aus Japan, der von dem „CHAdeMO“-Konsortium (CHArge de MOve) getragen wird. Das Konsortium setzt sich aus verschiedenen Herstellern, wie Nissan, Mitsubishi, Toyota, PSA, Think und Subaru, zusammen.

Für die AC-Aufladung sind derzeit verschiedene Steckervarianten in der Diskussion, zum Beispiel für Modus 1 der Schukostecker für das AC-Laden an Standardsteckdosen mit bis zu 16 A. Das einphasige Aufladen im häuslichen Bereich mit 230 V nimmt dabei am meisten Zeit in Anspruch. Auch Modus 2 bezieht sich auf Ladevorgänge an Standardsteckdosen mit einphasig 250 V oder dreiphasig 480 V. Im Gegensatz zu Modus 1 erfolgt das Laden hier jedoch mit bis zu 32 A und das Ladekabel ist mit einer Sicherheitseinrichtung „In-Cable Control Box“ ausgestattet. Modus 3 beschreibt das AC-Laden an speziellen Ladestationen mit bis zu 63 A (AC 250 V oder 480 V). Die zugehörigen Ladekabel mit Stecker sind in der DIN IEC 62196-2 (VDE 0632-5-2) definiert. Hierbei ist keine „In-Cable Control Box“ im Ladekabel erforderlich, da diese Sicherheitseinrichtungen fester Bestandteil der Ladestation sind.

Die drei Steckertypen
Die für die kabelgebundene Energieübertragung zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation im Lademodus 3 erforderlichen Stecker und Buchsen werden in der Normenreihe DIN IEC 62196 festgelegt. Teil 2 der Normenreihe beschreibt die drei aktuell zur Diskussion stehenden Steckergesichter für AC-Ladung.
Der Stecker Typ 1 wurde von Japan vorgeschlagen und wird von asiatischen und amerikanischen Herstellern favorisiert. Er ist für das einphasige Laden bis 32 A und max. AC 250 V ausgelegt.
Der Stecker Typ 2 wurde von Deutschland vorgeschlagen mit folgenden Kennwerten: ein- bis dreiphasig, max. AC 63 A und DC 70 A, max. 480 V. Die Erweiterung zu einem Combo-Stecker für DC-Ladung bis 200 A ist möglich. Dieser Stecker hat einen weiten Einsatzbereich und ist technisch ausgereift. Daher wird von der deutschen Industrie der Einsatz dieses Steckers in Europa empfohlen. Auch Lapp räumt diesem Stecker Typ 2 die größten Zukunftschancen ein.
Daneben gibt es noch den sogenannten Stecker Typ 3 mit max. 32 A, der von Italien vorgeschlagen wurde und zurzeit noch von italienischen Automobilherstellern eingesetzt wird.

Beispiele aus der Praxis
Basierend auf dem Stecker Typ 2 hat die Lapp Gruppe in Kooperation mit der Bals Elektrotechnik GmbH das Ladesystem Lapp Charge (Bild 2 und Bild 3) entwickelt. Es zeichnet sich unter anderem durch seine ergonomische Gestaltung und diverse Sicherheitsfeatures aus. In Design und Farbgebung lässt es sich an die Bedürfnisse der Kunden anpassen und zum Beispiel mit dem Logo des Herstellers versehen. Als passende Anschlussleitung kann zum Beispiel ein Spiralkabel zum Einsatz kommen. Es ist halogenfrei, flammwidrig, ölbeständig und für einen Temperaturbereich von –40 °C bis 90 °C ausgelegt. Daher eignet es sich gut für Einsatzbedingungen mit starker Beanspruchung.
Neben den Produkten für die Ladeinfrastruktur bietet Lapp auch die Hochvoltverkabelung für die neue Fahrzeuggeneration an. Die silikonummantelten Hochvoltkabel werden im Fahrzeuginneren eingesetzt. Sie verbinden die Batterie mit den Elektromotoren und Zusatzaggregaten und werden kundenspezifisch konfektioniert und mit verschiedenen Anschlusstechniken versehen. Solche Hochvoltverkabelungen müssen zuverlässig bei bis zu 1 000 V, mechanisch stabil und platz- und gewichtsparend sein. In diesem Bereich hat Lapp auch eine eigene patentierte Anschlusslösung entwickelt.

Daneben produziert Lapp bereits heute spezielle Systemverbindungen, die als Serienprodukt in den Hybridspeicher des neuen Mercedes-Benz S 400 Blue-Hybrid und im 7er-BMW zum Einsatz kommen. Diese Kabel und Stecksysteme werden im Inneren der Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt und erfüllen die Anforderungen, die in diesem Anwendungsbereich gelten. Die Kabelsysteme sind temperatur- und vibrationsbeständig und vor Feuchtigkeit geschützt.
Zudem ist Lapp Entwicklungspartner namhafter Unternehmen, die zurzeit neue Batteriesysteme entwickeln, um elektrische Energie effektiver speichern zu können.

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Autor: Werner Becker ist Geschäftsführer der Lapp Systems GmbH in Stuttgart, einem Unternehmen der Lapp Gruppe.