HiPoInd - High Power Inductive – Automatisierte, kabellose Schnellladetechnologie für autonome mobile Roboter und Flurförderzeuge

Der Markt für Flurförderfahrzeuge und mobile Roboter wächst sehr stark. Gleichzeitig steigt der Anteil an elektrisch angetriebenen Fahrzeugen aufgrund der Dekarboniserung der Industrie immer weiter. Bisherige elektrische Flurförderfahrzeuge und mobile Roboter haben aber den großen Nachteil, dass sie sehr lange Standzeiten von mehreren Stunden aufweisen, um die Batterien wieder zu laden. Das macht solche Systeme ineffizient und teuer. Mit einem induktiven Schnellladesystem lassen sich diese Standzeiten auf ein Minimum reduzieren und die mobilen Systeme werden effizienter nutzbar. In Rahmen des Projekts »Automatisierte, kabellose Schnellladetechnologie für autonome mobile Roboter und Flurförderzeuge« wird ein induktives Ladesystem mit einer Ladeleistung von bis zu 40 kW entwickelt. Zuerst wird eine Anforderungsanalyse gefolgt von der Simulation des Gesamtsystems durchgeführt. Daraufhin folgt die Entwicklung der stationären Ladeinfrastruktur, des Spulendesigns und der mobilen Ladeinfrastruktur. Anschließend erfolgt die Systemführung und Regelungstechnik des Gesamtsystems, die Integration sowie die Validierung im Feldtest.

Im Bereich der modernen Batterietechnologie nimmt die weltweite Verbreitung von elektrisch betriebenen Flurförderzeugen stetig zu und verdrängt zunehmend Fahrzeuge mit Verbrennungsantrieb. Insbesondere die durch den Automotive-Sektor getriebene Kostensenkung bei Lithiumbatterien treibt diese Entwicklung weiter an. Die Vorteile des Elektroantriebs sind ein effizienter, geräusch- und emissionsarmer Betrieb bei geringeren Wartungskosten. Gleichzeitig erlaubt der Umstieg eine Versorgung der Fahrzeuge mit Energie aus erneuerbaren Quellen. Auf diese Weise wird zusätzlich eine der weitreichendsten gesellschaftlichen Herausforderungen, die Dekarbonisierung der Wirtschaft, in Angriff genommen. Gleichzeitig findet ein weiterer Wandel in der Industrie statt. Manuelle Flurförderzeuge werden zunehmend durch vollautomatisierte, autonom fahrende Robotersysteme ersetzt. Angetrieben wird diese Entwicklung durch rapide Fortschritte in den Bereichen autonomes Fahren, Mensch-Maschine-Interaktion und künstliche Intelligenz.

Das Energiesystem, bestehend aus Batterie- und Ladesystem, bildet eine Schlüsseltechnologie für den großflächigen Erfolg dieser Fahrzeuge. Eine Investition in die neuen Systeme zahlt sich insbesondere dann aus, wenn sie in einem unterbrechungsfreien Mehrschicht- oder gar 24/7-Betrieb eingesetzt werden.

Mit heute gängigen Batterie- und Ladesystemen hingegen muss der Fahrbetrieb häufig durch mehrstündige Ladepausen unterbrochen werden. Oft muss das Fahrzeug dafür spezielle, abseits vom Prozess liegende Ladestationen oder Batteriewechselstationen anfahren. Die ladebedingte Standzeit kann dabei mehrere Stunden betragen. Weitere Nachteile der heutigen Ladetechnologien liegen darin, dass sich Ladegeräte mit Steckkontakten nur schwer automatisieren lassen. Zudem erlauben Ladegeräte mit Schleifkontakten nur sehr eingeschränkte Bodenfreiheit, sind wartungsanfällig, erfordern eine sehr genaue Fahrzeugpositionierung und unterliegen Einschränkungen bezüglich Batteriespannung und Ladeleistung. Alternativ zum Einsatz kommende Batteriewechselsysteme sind teuer, erfordern zusätzliche Batteriesysteme und brauchen zusätzliche Lagerfläche.

Im Rahmen des Projekts »HiPoInd-High Power Inductive«, soll ein modulares, induktives Schnellladesystem entwickelt werden, dass die Traktionsbatterien dieser Systeme vollautomatisch mit einer Ladeleistung von bis zu 40 kW lädt. Durch den Wegfall heute üblicher Steck- und Schleifkontakte sowie durch die Möglichkeit einer unsichtbaren Bodenintegration wird das System absolut wartungsfrei ausgeführt sein, so dass sich Ausfallzeiten durch Defekte auf ein Minimum reduzieren lassen. In Kombination mit modernen Lithium-Ionen-Batterien wird es das System zudem ermöglichen, die ladebedingten Standzeiten gegenüber heute üblichen Systemen um bis zu 80% zu reduzieren. Die Ladeleistung von bis zu 40 kW induktiv ist sehr hoch und somit wird es das erste System am Markt für den industriellen Anwendungsbereich sowie mit dieser hohen Ladeleistung sein. Der Kundennutzen liegt somit in einer deutlich gesteigerten Verfügbarkeit und Auslastung von autonomen mobilen Robotern und/oder Flurförderzeugen in Produktion, Transport und Logistik. Das Funktionsprinzip (siehe Abbildung) des Systems gestaltet sich wie folgt. Die stationäre Versorgungseinheit (1) ist mit einer Sendeeinheit (2) verbunden. Die Sendeeinheit ist im Boden integriert und ist somit vor äußeren Einflüssen geschützt. Das Flurförderfahrzeug oder der mobile Roboter (6) ist mit einer Empfangseinheit (3) ausgestattet über welche der Ladevorgang der Batterie (5) autonom beginnt, wenn die Empfangseinheit über der Sendeeinheit (2) positioniert ist. Der Ladevorgang wird entweder beendet, wenn die Batterie vollständig geladen ist oder sich das Fahrzeug von seiner Position wegbewegt. Im Fahrzeug ist eine kompakte Leistungselektronik (4) verbaut, die den Ladevorgang auf Seiten des Fahrzeugs regelt.

Die Abteilung Leistungselektronik des Fraunhofer ISE entwickelt die stationäre Ladeinfrastruktur zur besseren Netzintegration des induktiven Ladesystems. Darüber hinaus werden neue Modulations-Verfahren zur induktiven Energieübertragung untersucht. Die Simulation und Dimensionierung des Spulensystems zusammen mit der stationären und mobilen Leistungselektronik ist ebenso Gegenstand der Forschung.

Das Forschungsprojekt »HiPoInd« wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom VDE/VDI/IT unterstützt. Partner im Verbund sind neben dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE die Wiferion GmbH (ehemals Blue Inductive GmbH) als Projektkoordinator.