Ein Elektrofahrzeug der ganz anderen Art: EMPA-Trac

Um ein Elektrofahrzeug zu konstruieren, reicht es nicht aus, den Verbrennungs-motor durch einen Elektroantrieb und den Tank durch Batterien zu ersetzen. „Man muss das gesamte Fahrzeug neu denken“, erklärt Christian Chimani, Head of Center for Low-Emission Transport des AIT Austrian Institute of Technology. Das bedeutet, dass man sich intensiv mit dem Gesamtsystem auseinandersetzen muss. Durch die Elektrifizierung ergeben sich völlig neue Möglichkeiten – von der Konstruktion der Struktur und dem Bau der Karosserie bis hin zum Energiemanagement im Fahrzeug. Die Digitalisierung ermöglicht zudem eine völlig neuartige Steuerung aller Komponenten.

„Damit können Fahrzeugkonzepte gestaltet werden, die von Grund auf neu sind und alles – vielleicht bis auf den Fahrersitz – in Frage stellen“, so Chimani. Durchexerziert wurde das bei einem in den vergangenen zwei Jahren von einem österreichischen Konsortium konstruierten Fahrzeug namens EMPA-Trac („Electric Modular Platform Architecture Trac“). Dabei handelt es sich um ein elektrisches Nutzfahrzeug in der Gewichtsklasse von bis zu zehn Tonnen, das modular aufgebaut ist und damit sehr einfach an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden kann. Solche Fahrzeuge werden von Kommunen oder Landwirten benötigt, um Straßen im Winter zu räumen, Böschungen zu mähen, die Müllabfuhr zu bewerkstelligen oder im Wald das Unterholz zu durchforsten. In all diesen Bereichen dominieren derzeit Dieselfahrzeuge, die die erforderlichen hohen Leistungen erbringen können – allerdings begleitet von entsprechend hohen Schadstoff- und CO₂-Emissionen.

EMPA-Trac setzt hingegen voll auf Elektroenergie. „In dem Kooperations-projekt können wir schön zeigen, dass auch das elektrisch ohne lokalen CO₂-Ausstoß möglich ist“, betont Chimani. Neben dem AIT sind an dem Projekt TÜV Austria Automotive und der Akku Designer Hellpower beteiligt, geleitet wird es vom niederösterreichischen Landtechnik-Spezialisten Adolf Tobias GmbH. Gefördert wird das Projekt vom Klima- und Energiefonds und der Österreichischen Forschungsförderungs-gesellschaft (FFG).

Das Konzept von EMPA-Trac ist auf seine Weise revolutionär: Es beruht auf einer Segmentierung und einem modularen Aufbau gemäß dem sogenannten Gleichteilprinzip: Im Kern wird das Fahrzeug aus völlig baugleichen Modulen zusammengesetzt. So wurden beispiels-weise Antriebsmodule entwickelt, die jeweils baugleiche Elektromotoren, Bremsen, Traggelenke, Luftfedern, Radaufhängungen, Übersetzungsgetriebe usw. enthalten. Diese können je nach Anforderung beliebig aneinandergereiht werden: Aus denselben Komponenten können genauso gut zweiachsige Fahrzeuge gebaut werden wie drei- oder vierachsige. Überdies können die Mehrzweckfahrzeuge bei Bedarf mit geringem Aufwand erweitert oder verkleinert werden. „Wenn z. B. die Gemeindeverwaltung beschließt, dass sie die Forstarbeit wieder selbst machen will und dafür einen starken Frontkran kauft, dann bringen sie das Fahrzeug zu uns und wir bauen eine zweite Vorderachse ein“, nennt Projektleiter Peter Kainz (Tobias GmbH) ein Beispiel.

Gleichteilprinzip ermöglicht Kostenvorteile

Zum Einsatz kommen dabei möglichst wenige unterschiedliche Teile. So gibt es z. B. nur einen Typ von Elektromotor, der sowohl für die Antriebe als auch für die elektrische Zapfwelle eingesetzt wird. Ähnliches gilt für Traggelenke, Querlenker oder Seitenscheiben. „Die konsequente Einhaltung des Gleichteileprinzips vereinfacht die Produktion und erleichtert später die Wartung und die Ersatzteilbewirtschaftung“, erläutert AIT-Expertin Elisabeth Dörr, die die EMPA-Trac-Projektidee maßgeblich mitentwickelt hat. Dadurch soll EMPA-Trac auch preislich konkurrenzfähig zu herkömmlichen Nutzfahrzeugen mit Dieselantrieb sein. Bei der Konzeption wurde sehr genau auf die Bedürfnisse der Mitarbeiter von Kommunen geachtet. Bei den Steuerelementen wurde z. B. auf Touchscreens verzichtet – stattdessen wurden große Knöpfe eingebaut, die auch mit Arbeits-handschuhen problemlos bedient werden können. Die Fahrerkabine kann sehr einfach von Links- auf Rechtslenkung umgerüstet werden: Dazu wird die komplette Lenkkonsole auf die Beifahrer-seite geschwenkt und Fahr- und Bremspedal auf der anderen Seite angesteckt. Das erleichtert z. B. das Mähen von Straßenböschungen enorm. 

Für die meisten Komponenten konnten für den EMPA-Trac marktübliche Teile genutzt werden. Manche Dinge mussten aber extra entwickelt werden. Eine große Herausforderung war insbesondere die Steuerelektronik, deren Entwicklung und Implementierung dem AIT-Forscher Hannes Lacher oblag. „Es galt, ein Steuergerät zu finden, das acht Antriebe zugleich bedienen kann. Das war auch für uns Neuland“, erzählt er. In den vergangenen Monaten stand der Prototyp von EMPA-Trac in den Laboren des AIT, wo das Fahrzeug mit allen nötigen Steuer-geräten und der Software ausgerüstet wurde. Installiert wurden u. a. Sensoren und Verbindungen zum Steuergerät, Hochspannungs- und Signalverkabelung für Antriebe, Stromwandler, Ladegeräte, Lüfter- und Heizungssteuerung usw. Nach der Inbetriebnahme und ausführlichen Tests auf dem Prüfstand finden in der Folge umfangreiche Praxistests statt. Bis zur Serienreife dürfte es dann noch ein bis zwei Jahre dauern. Dafür sind auch noch gesetzliche Änderungen nötig, denn die Art der Modularität, die im EMPA-Trac realisiert wird, ist in den gegenwärtigen Rechtsvorschriften noch nicht adäquat abgebildet. 

Neben neuen Konzepten für Elektrofahrzeuge beschäftigt sich das Center for Low-Emission Transport auch mit anderen Bereichen, die für Fahrzeuge der Zukunft wesentlich sind. Eine wichtige Stoßrichtung ist die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation, bei der den AIT-Forscher*innen ein hoch-modernes Batterieforschungslabor mit eigener Pilot-Fertigung für innovative Akkus zur Verfügung steht. Entwickelt werden weiters Komponenten für die Leistungselektronik, neue Methoden für das Energiemanagement sowie Simulationssysteme für Elektrofahrzeuge. Ein wesentlicher Aspekt für eine Steigerung der Effizienz und die Senkung der Emissionen ist die Entwicklung neuer Leichtbauwerkstoffe inklusive Herstellungsverfahren, neuen Fügetechnologien und Konstruktions-Prinzipien. Vervollständigt werden die Aktivitäten des Centers for Low-Emission Transport durch Untersuchungen der Verkehrs-infrastruktur (Straße, Schiene, Gebäude, Brücken etc.), um deren Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit zu bewerten und ein hoch belastbares, ressourcenschonendes und sicheres Verkehrsnetz zu gewährleisten.

Elektromobilität ist indes noch viel mehr als der Bau von Elektroautos: Damit diese optimal eingesetzt werden können, müssen auch viele Teile des Verkehrs- und Energiesystems angepasst werden. Erforderlich ist also auch ein Neudenken der Infrastruktur. Mit solchen Themen beschäftigen sich die Forscher*Innen am AIT Center for Energy. Das beginnt bei der Gestaltung und beim Betrieb von Stromnetzen: Um möglichst viel erneuerbare Energie zu integrieren und eine hochqualitative Ladeinfrastruktur bereitstellen zu können, müssen die Netze mithilfe von Informations- und Kommunikationstechnologien intelligenter werden („Smart Grids“). Darüber hinaus bedarf es einer optimalen räumlichen Planung u. a. der Ladeinfrastruktur. Das Center for Energy beschäftigt sich mit der Entwicklung von Werkzeugen für eine energieeffiziente Routenplanung, die Standortplanung von Ladestationen sowie mit Überlegungen zur Größe und Mischung von elektro- betriebenen Fahrzeugflotten.