High-Voltage-Lithiumbatterien für elektrische GPUs im Ground Support Equipment

Elektrifizierung des Ground Support Equipment im Flughafenbereich

Flughäfen schlafen niemals, das gilt weltweit: Tag für Tag passieren Millionen von Passagieren und Tonnen von Gütern die Start- und Landebahnen, Terminals und Vorfelder und schaffen ein beispielloses Betriebsvolumen. In diesem Tumult sind Effizienz und Nachhaltigkeit nicht länger eine Option: Sie sind der zukunftsweisende Kompass für Hersteller und Arbeitskräfte.

Immer strengere europäische Emissionsvorschriften verlangen von Herstellern und Flughafenbetreibern, ihre Infrastrukturen und Fahrzeuge zu hinterfragen. Die Umstellung auf elektrische Lösungen hat mittlerweile strategische Priorität, insbesondere im Bereich der Ausrüstungen zur Unterstützung der Bodenabfertigung (GSE): GPUs, Flugzeugschlepper, Pushback-Fahrzeuge, Gepäckförderbänder, PRM-Personenaufzüge, Passagiertreppen, Zugmaschinen und Spezialfahrzeuge sichern den Betrieb von Flugzeugen am Boden.

Eine Elektrifizierung dieser Ausrüstung bedeutet:

• Emission- und Geräuschreduzierung
• Erhöhung der Betriebssicherheit
• Senkung der Gesamtbetriebskosten
• Verbesserung der Energieeffizienz von Fuhrparks

Seit über 12 Jahren unterstützt Flash Battery führende internationale OEMs und Ground Handler bei der Entwicklung personalisierter Lithium-Lösungen, die selbst anspruchsvollsten Anforderungen im GSE-Sektor gerecht werden. Ein maßgeschneiderter Ansatz, der die Elektrifizierung eines jeden Fahrzeugs ermöglicht, indem die Leistung optimiert und ein nachhaltiger Betrieb gewährleistet wird.

Als eine der signifikantesten Innovationen erweist sich die elektrische GPU als strategische Lösung für die Stromversorgung der Hilfsaggregate von Flugzeugen am Boden. Obwohl die Bodenunterstützungsausrüstung (GPU) für den Flughafenbereich entwickelt wurde, zeigt sie sich ebenfalls als äußerst vielseitig für den Einsatz in Häfen und auf Baustellen, bei denen die elektrische Infrastruktur oftmals begrenzt ist. Die Ground Power Unit sollte nicht nur im Hinblick auf die traditionelle Nutzung an Flughäfen betrachtet werden. Vielmehr ist ihre Fähigkeit in einem größeren Zusammenhang hervorzuheben: als Lieferant stabiler, autonomer und sicherer Energie für alle Orte, an denen eine Stromversorgung nicht verfügbar oder unzureichend ist.

Und eben diese doppelte, sowohl spezialisierte als auch übergreifende Funktion macht die GPU zur idealen Anwendung, um einen personalisierten Gestaltungsansatz wie den von Flash Battery optimal auszudrücken.

Upgrade eines integrierten High-Voltage-Batteriesystems für elektrische GPUs

Das Projekt entsteht 2019 in Zusammenarbeit mit einem internationalen Hersteller von Bodenabfertigungsgeräten, der auf den großen Flughäfen in Europa, den USA und im Nahen Osten tätig ist.

Ziel war dabei, das fortschrittliche technologische Upgrade einer bereits bestehenden High-Voltage-Lösung umzusetzen und gleichzeitig die Einbindung in die elektrische Architektur der GPU zu verbessern sowie die Standards hinsichtlich Sicherheit, Zuverlässigkeit und Betriebskontinuität zu steigern.

In der bisherigen Konfiguration verwendete die elektrische GPU eine modulare Lösung aus kleinen Batterien mit elementarer Steuerelektronik. Diese Konfiguration bedeutete für den GPU-Hersteller:

• hohe Montagekomplexität
• zahlreiche in Reihe und parallel geschaltete Module
• nicht eingebaute, externe Hilfskomponenten
• lange Montagezeiten
• unzureichende Gesamtqualität.

In einem High-Voltage-System führte diese Fragmentierung zu einer geringeren Gesamtzuverlässigkeit, höheren Betriebskosten und größerem Verwaltungsaufwand während des Lebenszyklus der Maschine.

Unter Berücksichtigung der verschiedenen Aspekte entwickelte Flash Battery ein integriertes Hochspannungsbatteriesystem, mit dem die Architektur vereinfacht wie auch die Anzahl der Komponenten und der Gesamtwirkungsgrad der elektrischen GPU verbessert wird.

Entwurf einer benutzerdefinierten HV-Batterie für Flughafenanwendungen

Gleich bei den ersten Gesprächen mit dem Kunden wurde deutlich, dass es sich um ein Projekt von hoher technischer Komplexität handelt. Flash Battery wurde mit der Aufgabe betraut, die Grenzen bestehender modularer Lösungen zu überwinden. Dies stellte eine besondere Herausforderung dar, die eine enge Zusammenarbeit zwischen unserem R&D-Team und dem technischen Team des Kunden voraussetzte.

Es ging darum, eine hohe Energiedichte auf engstem Raum zu konzentrieren und die wichtigsten internationalen Vorschriften für Hochspannungsbatterien sowie die Anforderungen an den Transport und die elektrische und elektromagnetische Sicherheit zu gewährleisten.

Aber die Herausforderung lag nicht nur in der Planung: Das Ziel bestand darin, eine industriell herstellbare, testbare und über den gesamten Lebenszyklus wartungsfähige Lösung zu realisieren.

Zu den wichtigsten Elementen des Projekts gehörten:

• Integration von Sicherheitssystemen (Kontrolle der Isolation, Vorladung, MSD usw.).
• Einbindung der vom Kunden gewünschten fortschrittlichen Managementlogiken.
• Möglichkeit der parallelen Batterieschaltung, um eine hohe Speicherkapazität zu erreichen.
• Industrialisierung der HV-Batterien.
• Planung im Hinblick auf die vom Projekt verlangten Prüfungen: mechanische, Sicherheits-, EMV- und branchenspezifische Tests.
• After-Sales-Planung.

Diese Anforderungen bedurften eines komplett kundenspezifischen Planungsansatzes, der in der Lage war, die Betriebsstandards der elektrischen GPU zu steigern.

Integrierte High-Voltage-Architektur mit fortschrittlichem BMS und 4G-Konnektivität

Das Projekt führte zur Entwicklung einer Baureihe von HV-Lithiumbatterien für elektrische GPUs, die entwickelt wurden, um unterschiedliche betriebliche Anforderungen mit zwei Energiekapazitäten von 50 und 125 kWh zu erfüllen.

Beide Konfigurationen verwenden LFP-Chemie (Lithium-Eisenphosphat). Diese wurde aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, ein Höchstmaß an Sicherheit, Stabilität und eine Lebensdauer von über 4.000 Zyklen zu gewährleisten. Dabei garantiert sie Performance selbst unter schwierigen Betriebsbedingungen.

Die Einführung zweier Batteriegrößen ermöglicht, mit wenigen, parallel geschalteten Batterien eine große Energiemenge zu speichern. Dies reduziert drastisch die Anzahl der Komponenten, vereinfacht die Architektur und senkt die Kosten der Gesamtlösung. Die energetische Modularität erlaubt eine Elektrifizierung verschiedener GPU-Typen und gewährleistet Betriebsflexibilität, den vollständige Einbau in das Fahrzeug sowie konstante Zuverlässigkeit über den gesamten Lebenszyklus des Systems.

Aber die Batterie ist nicht nur ein Energiespeicher: Sie ist aktive Komponente des Geräts, weil sie in sich alle wesentlichen Systeme integriert:

• Kontrolle der Isolation
• MSD (Manual Service Disconnect)
• HVIL
• Heizsystem
• Datenlogger
• Gassensor
• integrierte Feuerlöschsysteme (Fire Extinguishers)
• 4G-Konnektivität für die Fernüberwachung und vorausschauende Wartung

Neben der HW wurde in dieser Anwendung auch die Firmware angepasst, um spezifische, vom OEM geforderte Funktionen zu implementieren. Dank der Integration der 4G-Konnektivität kann der Kunde in Echtzeit den gesamten, auf mehrere Flughäfen verteilten Fuhrpark an GPUs überwachen, das Flottenmanagement zentralisieren, Wartungseingriffe vorausschauend planen und die Betriebsleistung der GSE-Flotte optimieren.

Diese, in das Fernüberwachungssystem Flash Data Center eingebundene 4G-Verbindung ermöglicht die kontinuierliche Überwachung der Batterieparameter, wobei der Gesundheitszustand der Batterien genau identifiziert und proaktive Warnungen bei kritischen Problemen gesendet werden. Mit diesem datengesteuerten Ansatz lassen sich Strategien für die vorausschauende Wartung von Batterien umsetzen, ungeplante Ausfallzeiten reduzieren und die Gesamtbetriebskosten der vollständigen GSE-Flotte optimieren.

Dabei wurde die Sicherheit als ein aktives Multilevel-System konzipiert: Der Einbau von Gassensoren erlaubt eine kontinuierliche Überwachung der Betriebsbedingungen des Batteriepacks: Anomalien werden frühzeitig erkannt, sodass präventive Schutzstrategien aktiviert werden können. Ergänzend zu diesem Ansatz stellen integrierte Löschsysteme eine weitere Sicherheitsebene dar, die im Falle eines kritischen Ereignisses automatisch und lokal eingreifen, dabei das Risiko einer Ausbreitung verringern und den Schutz der Maschine, der Betriebsumgebung und der Bediener erhöhen.

Die Kombination aus High-Voltage-Technologie, integrierter Architektur und fortschrittlicher Konnektivität verschafft der Lösung einen wahren Wettbewerbsvorteil für OEMs und Flottenmanager und macht die elektrische GPU zu einem kompletten, sicheren und einfach zu verwaltenden System.

Der Flash-Battery-Ansatz: Co-Projektierung von High-Voltage-Batterien für OEMs im GSE-Bereich

Den wahren Unterschied bei diesem Projekt machte der beratende Ansatz von Flash Battery. Es handelte sich nicht um eine einfache Batterielieferung, sondern um einen gemeinsam gestalteten Planungsprozess, der auf echtem Interesse für Bedürfnisse, technischem Fachwissen und einer langfristigen Vision basierte.

Von Anfang an arbeitete unser Forschungs- und Entwicklungsteam eng mit dem R&D-Team des Kunden zusammen. So entstand ein kontinuierlicher technischer Dialog, der es ermöglichte, die betrieblichen Anforderungen über die ursprünglichen Spezifikationen hinaus zu analysieren und die Anwendungsbeschränkungen, Nutzungsszenarien und zukünftigen Ziele zu bewerten. Dank dieser Methode entstand ein solides Vertrauensverhältnis: Flash Battery fungierte nicht nur einfach als Lieferant, sondern wurde zum strategischen Partner.

Der Kunde entschied sich für Flash Battery dank der Fähigkeit, ein komplexes Projekt in Angriff zu nehmen, von modularen Lösungen mit kleinen Batterien abzurücken und eine Tailormade-Batterie zu entwickeln, die speziell zur Effizienzsteigerung von elektrischen High-Voltage-GPUs konzipiert wurde.

Aus technologischer Sicht war ein entscheidendes Element die Umstellung auf die LFP-Chemie (Lithium-Eisenphosphat): sicherer, stabiler und langlebiger sowie im Vergleich zu früheren Lösungen mit einem optimierten TCO. Auch die Architektur mit großformatigen Batterien brachte konkrete Vorteile: Sie reduziert die Anschlüsse und Komponenten, beschleunigt die Diagnose und sorgt für einen deutlich effizienteren After-Sales-Service.

Vom Custom-Projekt zur skalierbaren High-Voltage-Plattform für GSE-Flotten

Nach der Installation der Batterien an elektrischen GPUs waren die operativen Vorteile direkt messbar: Kostenreduzierung, höhere Zuverlässigkeit des Systems und ein deutlich vereinfachtes After-Sales-Management. Die Wirksamkeit der Lösung förderte eine Ausweitung der Anwendung auch auf andere Typen von Ground Support Equipment, beispielsweise Flughafenschlepper, und erweiterte die Integrationsmöglichkeit in GSE-Flotten.

Heute stellt das Projekt eine internationale Referenz in Europa, den Vereinigten Staaten und dem Nahen Osten dar und leistet einen konkreten Beitrag zu den Elektrifizierungsprozessen der wichtigsten internationalen Flughafendrehkreuze.

Das Ergebnis entstand durch die kontinuierliche Zusammenarbeit seit dem Jahr 2019, an der die Bereiche R&D, IT, Sales und After-Sales von Flash Battery sowie die technischen und operativen Teams des Kunden beteiligt waren – gemeinsam für eine Lösung, die auf die tatsächlichen Bedürfnisse der Branche eingeht.

Diese Erfahrung zeigt, wie ein gemeinsam gestalteter, kontinuierlicher Planungsansatz zuverlässige und skalierbare Lösungen hervorbringen kann, die sich über den gesamten Produktlebenszyklus an unterschiedliche operative und Marktbedingungen anpassen lassen.

Die Entwicklung der Flughafeninfrastrukturen in Richtung CO₂-neutraler Modelle setzt für die nächsten Jahre zunehmend integrierte, intelligente und interoperable High-Voltage-Speichersysteme voraus. In diesem Projekt entwickelte Architekturen bilden eine skalierbare Technologieplattform für die zukünftigen Generationen von elektrifiziertem Ground Support Equipment.