Die Zukunft von E heißt HPC

Elek­tro­mo­bi­li­tät ist ein alter Hut. Schon die aller­ers­ten moto­ri­sier­ten Vehi­kel hat­ten einen E-Motor. Pro­blem damals wie heu­te: Wie bekom­me ich mög­lichst schnell mög­lichst viel Ener­gie in die mobi­len Ener­gie­spei­cher? Gute 140 Jah­re spä­ter sind wir bedeu­ten­de Schrit­te wei­ter.

Die Fer­ti­gung des High­tech-Ste­ckers ver­langt Sorg­falt und Erfah­rung

Bereits 1881 stell­te der Fran­zo­se M. Gust­ave Trou­vé sein auf­se­hen­er­re­gen­des Drei­rad vor. 12 Stun­den­ki­lo­me­ter schnell und einer Post­kut­sche ziem­lich ähn­lich. Mit einer Reich­wei­te von etwa 14 Kilo­me­tern war das Fahr­zeug annä­hernd all­tags­taug­lich, denn damals war die Kon­kur­renz auf der Lang­stre­cke nur das Pferd.

Wer­ner Sie­mens, Andre­as Flo­cken, Fer­di­nand Por­sche – die Lis­te der E-Pio­nie­re ist lang und ent­hält ver­blüf­fen­de Namen. Zwi­schen 1896 und 1939 gab es welt­weit 565 ver­schie­de­ne Mar­ken von Elek­tro­au­tos. In New York lag der Anteil an E-Fahr­zeu­gen 1901 bei 50 Pro­zent (der Rest waren Dampf-kraft­wa­gen oder Naph­ta-, Ace­ty­len- oder press­luft­ge­trie­be­ne Gefähr­te). Selbst Hen­ry Ford ent­wi­ckel­te einen Ford Model T mit Elek­tro­mo­tor, der aller­dings nicht in Serie ging. Was dann folg­te, waren annä­hernd 100 Jah­re elek­tro­mo­bi­ler Dorn­rös­chen­schlaf.

Die Wiederbelebung des E

Erst um 2010 nahm das The­ma wie­der Fahrt auf. Bei Phoe­nix Con­tact ging es dabei zunächst „nur“ um ein­zel­ne Bau­tei­le. Schon früh gab es Anwen­dun­gen wie schwe­re Steck­ver­bin­dun­gen für Wech­selak­kus, die noch heu­te in chi­ne­si­schen Bus­sen ihren Dienst tun – Qua­li­ty made by Phoe­nix Con­tact :-).

Doch schnell wur­de die For­de­rung nach schnel­le­ren Lade­zei­ten auch für Pkw lau­ter. Dazu gab es auch bei Phoe­nix Con­tact ers­te Vor­ent­wick­lun­gen. Einer, der fast von Beginn an dabei war, ist der Ent­wick­ler Dirk Mose­ke, der schil­dert, wie die nächs­ten Schrit­te ver­lie­fen:

Warm ja, heiß nein

Dirk Mose­ke im Gespräch

In der Ent­wick­lung stan­den natür­lich auch Las­ten­hef­te und Nor­men. Es gab aber nichts. Und das ist erst zwei Jah­re her! Also muss­ten wir sel­ber ent­wi­ckeln. Was müs­sen wir machen, um aus dem schon bestehen­den CCS-Stan­dard mit dem defi­nier­ten Steck­ge­sicht etwas ganz ande­res her­aus­zu­krie­gen? 200 Ampere waren kein Pro­blem, aber jetzt waren 300 Ampere und mehr ver­langt. Heu­te sind wir bei 500 Ampere.

Im Gebäu­de wür­de vor dem Zugang zu sol­chen Strom­stär­ken ein gel­bes Schild ange­bracht sein mit dem Hin­weis „Zutritt ver­bo­ten“. Und hier sol­len wir die Anla­gen frei zugäng­lich in Ver­kehr brin­gen, der Wit­te­rung und mög­li­chen Miss­bräu­chen aus­ge­setzt.

Der ers­te Punkt war die Ent­wick­lung von geeig­ne­ten Kabeln. Bei sol­chen Strö­men gibt es nur zwei Mög­lich­kei­ten: grö­ße­re Kabel­quer­schnit­te oder eine deut­li­che Erwär­mung.
Das Kabel darf aber nicht zu dick wer­den, denn sonst wird es zu schwer und steif. Also haben wir uns dem The­ma der Wär­me­ent­wick­lung gewid­met.

Zunächst galt fest­zu­stel­len, wo die Wär­me eigent­lich ent­steht. Tat­säch­lich ist es die Lei­tung selbst, die warm wird. Die Wär­me kann aber auch aus dem Fahr­zeug kom­men, also von einer Stel­le, die wir gar nicht beein­flus­sen kön­nen.
Der nächs­te Gedan­ke galt der Küh­lung. Der ers­te Ver­such war, mit Flüs­sig­keit zu küh­len. Also das Kup­fer direkt mit einem wär­me­ab­lei­ten­den Medi­um zu umspü­len. Eine ölba­sier­te Lösung haben wir ver­wor­fen, denn die Hand­ha­bung war viel zu auf­wen­dig. Und alles ande­re als inno­va­tiv.

Forschung im Strickzimmer

Dann haben wir es mit Luft ver­sucht. Dazu haben wir Luft in Schläu­che gepus­tet, in denen die hei­ßen Kabel lagen. Die Luft muss­te aber irgend­wo hin und trat dann im Ste­cker wie­der aus. Außer­dem nimmt Luft die Wär­me gar nicht so schnell auf. Wenig bedie­ner­freund­lich und nicht effek­tiv genug, also nicht prak­ti­ka­bel.
Also doch wie­der flüs­sig – wir haben mit alter­na­ti­ven Kühl­mit­teln wei­ter­ge­forscht und sind schließ­lich beim leicht hand­hab­ba­ren und umwelt­ver­träg­li­chen Gly­kol gelan­det. Das ist vor allem dann ide­al, wenn es um die Befül­lung oder Repa­ra­tur der Kühl­an­la­ge geht, also im har­ten All­tag einer Lade­säu­le. Zusätz­lich haben wir Wär­me­leit­pas­te im Kabel ein­ge­setzt. Das hat sogar ziem­lich gut funk­tio­niert, war aber nicht taug­lich für die Seri­en­pro­duk­ti­on.

Inzwi­schen hat­ten wir auch fest­ge­stellt, dass es sinn­voll ist, die Ober­flä­che so groß wie mög­lich zu machen. Mehr Ober­flä­che bedeu­tet bes­se­re Wär­me­ab­lei­tung. Also haben wir Ver­su­che mit vie­len Ein­zel­lit­zen gefah­ren. Das sah hier teil­wei­se aus wie in einem Strick­zim­mer, mit Schrumpf­schläu­chen, Kabel­bin­dern und Kle­be­band. Grund­la­gen­for­schung wie man sie sonst nur an einer Hoch­schu­le vor­fin­den kann.

Heu­te haben wir ein Kabel, das zwei­mal zwei 25 mm2 Kup­fer­lei­tun­gen führt. Zwei für Plus, zwei für Minus. Das sorgt für ein nicht zu schwe­res und schön fle­xi­bles Kabel. In den Außen­man­tel haben wir eine Schicht ein­ge­baut, die zeigt, wann das Kabel ver­schlis­sen oder beschä­digt ist. Kommt rote Far­be zum Vor­schein, muss der Ser­vice aktiv wer­den. Außer­dem darf das Kabel, da man es umfas­sen kann, nicht hei­ßer als 60 Grad wer­den – so will es die Norm. Das wird im Kabel mit Sen­so­ren über­wacht und ist mit einer Abschalt­ein­rich­tung gekop­pelt. Dazu lau­fen noch Kom­mu­ni­ka­ti­ons­adern durch das Kabel, die der Ste­cker in Kom­bi­na­ti­on mit der Säu­le und dem Fahr­zeug benö­tigt.
Die wei­che Sei­te des High Power Char­ging war also geschafft.

Die harte Schale

Die nächs­te Her­aus­for­de­rung war der Ste­cker selbst. Zunächst gab es sogar die Anfor­de­rung, dass wir die Inlets, also die Ein­steck­ein­heit am Fahr­zeug, über das Kabel mit küh­len soll­ten. Das geht aber nicht. Das wür­de einem Kühl­schrank ähneln, der über sei­ne geöff­ne­te Tür das Bier vor dem Fern­se­her kühlt.
Also haben wir einen Kühl­kör­per ent­wi­ckelt, der zunächst aus einem gedreh­ten Kup­fer­rohr bestand, wel­ches umgos­sen wur­de und an das die Schläu­che ange­schlos­sen wur­den. Das funk­tio­nier­te auch, war aber wie­der in der Her­stel­lung viel zu auf­wen­dig.
Aber wir hat­ten mit unse­rer Toch­ter­ge­sell­schaft Pro­tiq noch ein As im Ärmel. Die haben gemein­sam mit uns einen idea­len Kühl­kör­per ent­wi­ckelt und rea­li­siert. Heu­te haben wir einen Kühl­kör­per, der einen Iso­la­ti­ons­kör­per umschließt. So küh­len wir bis in die Kon­tak­te.

Ent­wick­lung im Test­la­bor


Alle Dicht­stel­len muss­ten schon für die Tests am Pro­to­ty­pen per­fekt sein. 13 oder 14 Dicht­stel­len, teils in heik­len Mate­ri­al­zu­sam­men­set­zun­gen und sofort auch ver­se­hen mit Lecka­ge­sen­so­ren. Wir haben diver­se Mate­ria­li­en im eige­nen Test­la­bor getes­tet, vor allem auf ihre Leit­fä­hig­keit. Es geht schließ­lich um enor­me Strom­stär­ken und die nöti­ge Sicher­heit für den Bedie­ner. Wuss­ten Sie, dass in vie­len Kunst­stof­fen Gra­phit ent­hal­ten ist? Ein paar Pro­zent zu viel, und schon lei­tet das Mate­ri­al. So eine Leit­fä­hig­keit teilt einem natür­lich kein Her­stel­ler mit. Also muss­ten wir immer wie­der aus­pro­bie­ren. Ein enor­mer Auf­wand.

Wir mes­sen und über­wa­chen heu­te die Tem­pe­ra­tur an den hei­ßes­ten Punk­ten der Über­tra­gung, direkt vorn an den Kon­tak­ten. So schüt­zen wir unser Gesamt­sys­tem vor äuße­ren Ein­flüs­sen, etwa von der Fahr­zeug­sei­te her.

Das ist momen­tan das inno­va­tivs­te Sys­tem der gesam­ten E-Mobi­li­tät. Die Echt­zeit­tem­pe­ra­tur­mes­sung haben wir paten­tie­ren las­sen.

Es gibt ein Ver­rie­ge­lungs­sys­tem, wel­ches beim Laden das Star­ten des Fahr­zeugs unter­bin­det. Wird der Ste­cker fal­len gelas­sen und beschä­digt, muss er nicht kom­plett getauscht wer­den. Wir haben den Rah­men des Steck­ge­sichts aus­wech­sel­bar gestal­tet. Das macht die War­tung kos­ten­güns­tig und fle­xi­bel.

Ver­rie­ge­lung beim Lade­vor­gang

Gefühlt wie Elon Musk

Dann haben wir in Zusam­men­ar­beit mit unse­rem Werk­zeug­bau die Vor­se­ri­en­werk­zeu­ge ent­wi­ckelt. Teil­wei­se haben wir uns an Tech­no­lo­gi­en gewagt, die für uns ganz neu waren, etwa das Ultra­schall­ver­schwei­ßen der Kup­fer­ka­bel mit den Kon­tak­ten oder das Ver­gie­ßen des Gleich­strom­kon­takt­be­reichs.

Der Auf­bau die­ser Pro­duk­ti­on der hoch­kom­ple­xen Bau­tei­le ist nach wie vor eine Her­aus­for­de­rung, denn die Nach­fra­ge ist … stür­misch. In der Vor­se­rie brauch­te ein Ste­cker zwei Tage Fer­ti­gung. Wie bei einer Manu­fak­tur. Mitt­ler­wei­le sind wir bei ech­ter Seri­en­fer­ti­gung.

Wel­che Dyna­mik die Ent­wick­lung der E-Mobi­li­tät genom­men hat, zeig­te sich nach der Prä­sen­ta­ti­on unse­rer ers­ten Mus­ter Anfang 2018. Die Kun­den haben zeit­wei­se ein­fach bestellt, ohne sich über­haupt nach dem Preis zu erkun­di­gen. Da haben wir uns manch­mal wie Elon Musk gefühlt, der ja auch Blan­ko-Bestel­lun­gen für sei­ne Tes­la ein­ge­sam­melt hat.

Entwicklung ohne Ende

Ende 2018 hat­ten wir den Seri­en­an­lauf unse­rer HPC-Ste­cker. Zeit­gleich ent­wi­ckeln wir Lösun­gen für die inter­na­tio­na­len Märk­te, wo teil­wei­se ganz ande­re Nor­men vor­herr­schen. 500 Ampere sind in Sachen Leis­tung heu­te erst ein­mal zukunfts­si­cher. Aber wir arbei­ten natür­lich stän­dig wei­ter an Opti­mie­run­gen.

Es ist eben mehr als ein­fach nur ein Ste­cker. Da steckt so viel Intel­li­genz drin, die den Umgang wirk­lich sicher macht. Und The­men wie Fern­war­tung, Lade­ka­bel­füh­rung – wir sind da mit den Lade­säu­len­her­stel­lern im dau­ern­den Aus­tausch. Die Auf­ga­ben gehen uns also nicht aus.“

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