Modulare Lithiumbatterien für Elektro-Dumper und Off-Highway-Baumaschinen

Die elektrische Evolution von Off-Highway-Maschinen im Bauwesen

Urbane Baustellen und Nachhaltigkeitsziele erfordern immer häufiger leise, emissionsarme und umweltfreundliche Maschinen. Die Elektrifizierung von Dumpern, Baggern, Radladern und anderen Off-Highway-Fahrzeugen gewinnt daher für die Hersteller zunehmend an strategischer Bedeutung.

Oft arbeiten diese Fahrzeuge jedoch unter extrem schwierigen Bedingungen: staubige Umgebungen, intensive Arbeitszyklen und abgelegene oder temporäre Einsatzorte, an denen der Zugang zum Stromnetz eingeschränkt ist oder gar fehlt. Um die Betriebskontinuität zu gewährleisten, werden flexible und modulare Energielösungen benötigt, die zudem leicht an die verschiedenen Baustellenanforderungen anpassbar sind.

Zu den wichtigsten Vorteilen der Elektrifizierung gehören:

• Emissions- und Lärmreduzierung
• Reduzierung der Gesamtbetriebskosten (TCO)
• Geringerer Wartungsaufwand
• Erhöhung der Betriebssicherheit

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Flash Battery eine modulare Lösung entwickelt, die Maschinen unterschiedlicher Größe mit Strom versorgen kann – bei gleichzeitiger Minimierung der Varianten und Vereinfachung der Einbindung. Dabei beruft sich das Unternehmen auf seine Fachkompetenz im Bereich der Off-Highway-Elektrifizierung und einen hochgradig personalisierten Planungsansatz.

Planung einer Reihe von Elektro-Dumpern: modulare Energiearchitektur

Das Projekt nimmt im Jahr 2023 Gestalt an, als die Fiori Group, ein internationaler Baumaschinenhersteller beschließt, mit der ersten vollständigen Elektrifizierung seiner Fahrzeugflotte zu beginnen. Ausgangspunkt war ein Dumper für den Einsatz unter schweren Bedingungen, der als Pilotmodell für den Test von Energielösungen ausgewählt wurde, die daraufhin auf die gesamte Linie der vollelektrischen und hybriden Maschinen übertragen werden sollten.

Die Zielvorgabe war klar: Der Entwurf einer modularen und skalierbaren Energiearchitektur von Grund auf. Diese sollte sich an Fahrzeuge unterschiedlicher Größe und Leistung anpassen können, ohne für jedes Modell eine spezifische Batterie entwerfen zu müssen. Eine strategische Entscheidung, mit der die technische Komplexität reduziert und die Produktion optimiert werden konnte; gleichzeitig sollte sie größere technologische Einheitlichkeit innerhalb des zukünftigen Sortiments mit Elektroantrieb gewährleisten.

Damit ein derart strukturiertes Vorhaben gelingen konnte, entschied sich der Hersteller für Flash Battery als Technologiepartner und startete einen gemeinsamen Planungsprozess, um die Architektur der neuen Generation elektrifizierter Fahrzeuge festzulegen.

Modulare Batterien für Full-Electric- und Hybridfahrzeuge: Die Herausforderung von Baustellen ohne Stromnetz

Bereits in den ersten Besprechungsphasen zeigte sich ein grundlegendes Problem: Die Gewährleistung der Autonomie und Betriebskontinuität auch auf Baustellen ohne Stromnetz. Dies machte die Entwicklung einer Lösung notwendig, welche sowohl mit vollelektrischen als auch mit hybriden Versionen mit integriertem Generator kompatibel ist.

Der Kunde legte einige wesentliche Anforderungen fest:

• Nur zwei Spannungsstufen: 51,2 V und 102,4 V
• Modulare Architektur 1 bis 4 Batterien in Parallelschaltung
• Kompatibilität mit Full-Electric- und Hybrid-Fahrzeugen
• Auflademöglichkeit über integrierten Generator

Dieser letzte Punkt stellte eine der kompliziertesten Herausforderungen dar. Auf Baustellen ohne Stromnetz kann die Batterieladung nicht über eine Säule erfolgen. Stattdessen wird ein im Fahrzeug eingebauter Stromgenerator benötigt. Hieraus ergeben sich völlig andere Bedingungen als beim Laden aus dem Netz. In dieser Situation ist ein Hochleistungsausgleich notwendig, um das Zellbalancing und die korrekte Angabe des Ladezustands zu gewährleisten.

Damit diese Anforderungen erfüllt werden, wurde eine vollkommen kundenspezifische, modulare und integrierte Lösung entwickelt, bei der unsere proprietäre Technologie eine wesentliche Rolle spielte. Diese musste Autonomie, Zuverlässigkeit sowie Betriebskontinuität bei vollelektrischen und auch bei hybriden Fahrzeugen garantieren können.

Modulare LFP-Lithiumbatterien: Eine skalierbare Lösung für Off-Highway-Maschinen

Das Projekt mündete in der Entwicklung von zwei Lithiumbatteriemodellen mit LFP-Chemie (Lithium-Eisenphosphat). Beide Batterien können einzeln verwendet oder parallel geschaltet werden – mit bis zu vier Einheiten. Auf diese Weise kann die Energiekapazität einfach an die verschiedenen Fahrzeuggrößen und -anwendungen angepasst werden.

• 51,2 V von 11 bis 47 kWh
• 102,4 V von 23 bis 94 kWh

Die Entscheidung für LFP-Chemie ergab sich aus den Anforderungen an Sicherheit, thermische Stabilität und lange Lebensdauer – grundlegende Eigenschaften für Maschinen, die unter schwierigen Bedingungen, beispielsweise auf Baustellen, eingesetzt werden.

Die modulare Architektur wurde entwickelt, um die gleichen Module als Basiselement zu verwenden: Sie sind parallel miteinander kombinierbar, um verschiedene Konfigurationen unter Beibehaltung einer einzigen Technologieplattform zu erstellen.

Zu den wichtigsten Konstruktionsmerkmalen gehören:

• Custom-Firmware für die Verwaltung des Ladeprozesses mittels Generator
• Fortschrittliche Zellausgleichslogiken
• CAN-Bus-Integration mit dem Fahrzeugüberwachungssystem
• Gehäuse mit Schutzart IP65
• Sicherheitssysteme HV und MSD
• Lademöglichkeit über das Netz mit On-Board-Ladegeräten bzw. Off-Board-Ladegeräten für schnellere Ladevorgänge.

Der strukturierte Ansatz von Flash Battery: von der Beratung bis zur gemeinschaftlichen Entwicklung von Lithiumbatterien für OEMs im Bausektor

In einem derartigen Projekt stellt die Batterie nicht nur einfach eine Komponente dar, sondern wird zu einem strukturellen Element der Fahrzeugarchitektur.

Aus diesem Grund begleitete Flash Battery den Kunden von Anfang an und verfolgte einen Ansatz der gemeinsamen Entwicklung, der es ermöglicht, Anforderungen und Bedürfnisse in eine konkrete, zuverlässige und industrialisierbare Lösung zu übersetzen.

Ausgehend von einem „leeren Blatt Papier“ entwickelten das Flash-Battery- und Hersteller-Technikteam in gemeinsamer Arbeit das Energiesystem für den neuen Fahrzeugpark, einschließlich Festlegung der Betriebsspannungen, Modularitätslogik und Kriterien für die Batteriemaße.

In dieser Phase leistete Flash Battery einen besonders entscheidenden Beitrag, um:

• die modulare Architektur der Batterie zu bestimmen, die skalierbar und an die verschiedenen Maschinenkonfiguration anpassbar ist
• die Integration zwischen Batterie und Überwachungssystem zu optimieren
• Firmware-Logiken für das Management der verschiedenen Betriebsarten zu entwickeln
• Sicherheit und Zuverlässigkeit des gesamten Systems zu gewährleisten

Dabei galt der Hybridversion, die eine ständige Interaktion zwischen Batterie, Generator und Fahrzeugüberwachungssystem erfordert, besondere Aufmerksamkeit. Zu diesem Zweck wurde eine dedizierte Firmwarelogik entwickelt, über welche das Battery Management System (BMS) direkt mit der Maschine kommunizieren und Ladezyklen auch unter nicht standardmäßigen Betriebsbedingungen korrekt verwalten kann.

Dieser integrierte und zukunftsweisende Ansatz festigte die enge Zusammenarbeit, in der Flash Battery nicht nur als Batterielieferant, sondern auch als Technologiepartner auf dem Weg zur Elektrifizierung des neuen Fahrzeugparks agierte.

Vorteile von Lithiumbatterien für Elektro-Dumper und Baumaschinen

Die Einführung der neuen Batterien ermöglichte dem Kunden, nicht nur ein einzelnes Elektromodell auf den Markt zu bringen, sondern ein vollständiges Sortiment elektrifizierter Fahrzeuge – mit unmittelbaren und signifikanten wirtschaftlichen Auswirkungen.

Einige der wichtigsten Pluspunkte:

• Zugang zu Baustellen und Ausschreibungen, die emissionsarme Maschinen benötigen
• Eine drastische Steigerung der Fahrzeugeffizienz dank Umstellung vom hydrostatischen auf den Elektroantrieb, mit Reduzierung der TCO im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor
• Von den Batterien garantierte vollständige Arbeitszyklen ohne Kompromisse bei der Leistun
• Höhere Flexibilität bei der Konfiguration der Maschinen dank der Modularität des Energiesystems

Ein besonders interessanter Aspekt, der sich aus ersten Marktbeobachtungen ergab, betrifft die Hybridversion und ihre hohe Nachfrage. Diese Konfiguration stellt eine echte „technologische Brücke“ dar: Die Anwender können von den Vorteilen des Elektroantriebs profitieren und gleichzeitig sicher sein, dass die Batterie bei fehlendem Stromnetz über einen Generator aufgeladen werden kann.

Heute ist dieses Projekt ein konkretes Beispiel dafür, wie die Elektrifizierung von Off-Highway-Maschinen durch eine gemeinsame Planung von OEMs und Technologiepartnern erfolgreich umgesetzt werden kann: Eine komplexe technologische Herausforderung wird in ein skalierbares Energiesystem umgewandelt, das bereits auf zukünftige Entwicklungen im Baumaschinenbereich vorbereitet ist.