„Seamless integration“: Stolperfallen und teure Laderäume gehören der Vergangenheit an.

Bild: Wiferion

In-Process-Charging Intelligente Ladetechnik zum Schutz von Mitarbeitern und Systemen

07.02.2022

Mehr Effizienz und Sicherheit: An Ladekonzepte von Flurförderzeugen, fahrerlosen Transportsystemen und mobilen Robotern werden hohe Anforderungen gestellt. Doch gerade etablierte Batterieladetechnologien stoßen hier oft an ihre Grenzen. Kontaktlose Ladelösungen sind hier das Mittel der Wahl. Sie sind wartungsarm und kosteneffizient, lassen sich flexibel integrieren und ermöglichen autonomes „In-Process-Charging“. Auch weisen sie in puncto Sicherheit Vorteile gegenüber anderen Ladekonzepten auf.

Die Lithium-Ionen-Technologie hat sich vor allem im Bereich der fahrerlosen Transportsysteme und mobilen Roboter längst durchgesetzt. Die Batterien haben eine hohe Energiedichte und Laderate sowie eine lange Lebensdauer und lassen sich jederzeit zwischenladen.

Für die Aufladung der leistungsstarken Batterien stehen verschiedene Systeme und Konzepte zur Verfügung, die sich hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Wartungsaufwand, Flexibilität sowie Arbeitsschutz unterscheiden. Dabei ist die Sicherheit für Mitarbeiter sowie der verschleißfreie Betrieb im optimalen Arbeitspunkt unbedingt zu gewährleisten, um das volle Potential auszuschöpfen.

Risiken durch Ladekabel und offene Kontakte

Bei Flurförderzeugen (FFZ) und automatisierten FFZ erfolgt die Aufladung der Batterie häufig über kabelgebundene Steckverbindungen. Mitarbeiter schließen die Fahrzeuge in längeren Pausen oder nach Schichtende an das Ladegerät an. Dabei stellen die Kabel ein Sicherheitsrisiko dar, da Mitarbeiter darüber stolpern und stürzen können. Bei unsachgemäßem Gebrauch entstehen Gewaltschäden und weitere Sicherheitsprobleme, abgebrochene Pins und abgerissene Kabelenden können beispielsweise das Ergebnis sein.

Aus Gründen des Arbeitsschutzes befinden sich die Ladepunkte häufig nicht in unmittelbarer Nähe der Produktionsbereiche, sondern weiter entfernt in extra dafür eingerichteten Ladezonen, manchmal sogar außerhalb der Produktionshalle. Zum Laden müssen die Fahrzeuge in diese Zonen fahren und fehlen dann im Produktionsprozess.

Die kabelgebundene Aufladung ist umständlich und immer wieder eine Fehlerquelle, da Mitarbeiter Stecker nicht richtig einstecken oder ganz vergessen, das Fahrzeug an ein Ladegerät anzuschließen. Beschädigte Ladekabel müssen regelmäßig ausgetauscht werden, sind oft ein versteckter Kostentreiber und stellen ein weiteres Gefahrenpotential dar.

Werden mit dieser Technik „In-Process“-Ladekonzepte realisiert, erhöht sich die Anzahl der Steckvorgänge, wodurch zu erwarten ist, dass dieses Problem weiter an Gewicht gewinnt.

Auch über Schleifverbindungen lassen sich Batterien aufladen. Gerade bei FTS oder automatisierten FTF kommt diese Lösung zum Einsatz. Dazu werden stationäre Schleifkontakte in der Lagerumgebung fest verbaut und ein Gegenkontakt an den Fahrzeugen montiert. Dieses Konzept ist oft wegen seiner anfänglichen Einfachheit verlockend.

Betrachtet man das Gesamtkonzept aus Ansteuerung zum Spannungsfreischalten der Kontakte, mechanischer Absenkvorrichtung und zusätzlich notwendiger Kommunikation für die Ladeprozesssteuerung, nimmt die Komplexität schnell zu. So führen die Schaltrelais immer wieder zu Problemen, beispielsweise einer nicht korrekten Ansteuerung oder einem Verkleben der „Kontakte“. Funktioniert das System nicht korrekt, kann es nach der Beendigung des Ladeprozesses zu Funkenbildung kommen.

Für die Systemverfügbarkeit ist es außerdem wichtig, dass die Positionierung exakt ausgeführt wird. Wie der Kontaktvorgang aufgebaut wird, entscheidet darüber, ob Oxidschichten vor dem Laden entfernt werden und Einbrandstellen vermieden werden können. Letztlich handelt es sich bei Kontakten um verschleißbehaftete Bauteile, was bei einem „In-Process“-Ladekonzept zu mehr Aufwänden für Bauteilwechsel führen kann. In Produktionslinien sind auf dem Boden montierte Ladekontakte zudem hinderlich und werden aufgrund der Stolpergefahr für Mitarbeiter nicht gerne gesehen.

Induktive Leitlinien sind permanent aktiv

Bei diesem System bewegen sich die Fahrzeuge auf vorgegebenen Fahrwegen mit integrierten Stromleitern. Die Leitungen werden in einer Projektphase in die Anlage integriert und mit Hilfe zusätzlicher Komponenten entlang der Fahrwege auf den Einspeisepunkt abgestimmt und festgelegt.

ei der Installation ist eine genaue Analyse der Infrastruktur vor Ort notwendig, um etwaige Wechselwirkungen mit Bodenarmierungen durch die Magnetfelder um die Leitung auszuschließen. Ansonsten entstehen beträchtliche Verluste in der Armierung und der Boden erwärmt sich. Ändern sich die Anforderungen an den Arbeitsprozess oder soll der Fuhrpark erweitert werden, wird eine erneute Projektphase notwendig.

Eine Kommunikation zwischen Leitung und Fahrzeugkomponenten ist systembedingt nicht möglich, wodurch die Leitungsströme zu jedem Zeitpunkt aufrechterhalten werden müssen und die Effizienz limitieren. Bei Systemen mit diskontinuierlichen induktiven Strecken sind jedoch selten alle Fahrzeuge auf dem Streckenabschnitt. Die Einspeiseleistung ist meist stark überdimensioniert und die Leitersysteme sind permanent aktiv.

Auch ein kompletter Batterietausch birgt Gefahren

Ein bekannter Weg, die Ladung vom Prozess zu trennen, ist der Batteriewechsel. Dazu wird die leere Batterie aus dem Fahrzeug entfernt und durch eine geladene Batterie ersetzt. Die Handhabung der Batterie erfordert besondere Sorgfalt, da hier teilweise mehrere hundert Kilo schwere Batterien aus den Fahrzeugen entnommen werden müssen, um in einem speziellen Batterieraum geladen zu werden. Ein Prozess mit hohen Verletzungsrisiken.

Bei Blei-Säure-Batterien sind zusätzliche Vorkehrungen zum Schutz vor der Säure notwendig. Beim Wechsel selbst können leicht Quetschwunden entstehen. Die Entstehung von Knallgas und Schwefelsäure ist ein zusätzliches Sicherheitsrisiko während des Ladeprozesses. Auch beim Nachfüllen von Wasser und Säure können sich die Mitarbeiter verletzen.

Schnellladesystem für mehr Sicherheit und Prozessstabilität

Für Ladesysteme mit Steck- und Schleifverbindungen müssen immer wieder aufwändige Peripheriebeschaltungen und Schutzeinrichtungen installiert werden, um die Sicherheit für Mitarbeiter und Anlagen zu gewährleisten. Zudem zeigt sich, dass die ursprünglich für die Ladung von Blei-Säure-Batterien entwickelten Lösungen teilweise nicht den Anforderungen von Lithium-Ionen-Batterien gerecht werden oder für die neuen Ladekonzepte mit viel höheren Steckspielen schlicht zu unhandlich sind.

Das kontaktlose Schnellladesystem etaLINK von Wiferion dagegen basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion (Punktladung) und benötigt weder Steck- noch Schleifverbindungen. Verschleißteile und Gewaltschäden sind obsolet. Das Ladesystem ist quasi „gekapselt“, da keine offenen Kontakte vorliegen. Die Umgebungsbedingungen haben keinen Einfluss auf die Funktionsweise; Feuchtigkeit, Dreck oder Staub können dem System nichts anhaben. Das belegen auch die Schutzklassen IP 65 und 68. Daher ist sogar eine Verwendung in Außenbereichen möglich.

Die Komponenten des Schnellladesystems sind schnell und einfach installiert. Das kontaktlose Zwischenladen erfolgt über ein Ladepad, das an neuralgischen Punkten angebracht wird. Im Fahrzeug ist eine Empfangselektronik verbaut. Steht das Fahrzeug über dem Ladepad, wird automatisch das Magnetfeld erzeugt und der Energiespeicher im Fahrzeug geladen. So ist jederzeit ein Zwischenladen möglich.

Der Ladeprozess kann dabei von der Batterie bestimmt werden, dadurch wird sie immer im optimalen Arbeitspunkt betrieben und ungewollte Abschaltungen wie zum Beispiel durch Übertemperatur der Batterie werden vermieden. Ergebnis sind schnelle Ladeprozesse.

Magnetfeld ähnlich dem eines Induktionsherdes

Zwar ist die magnetische Flussdichte im System etaLINK höher als bei Leitliniensystemen; aber das Magnetfeld lässt sich mit dem eines Induktionsherdes vergleichen und ist auf den Bereich der Ladepads begrenzt. In der Umgebung der Ladepads werden alle durch Berufsgenossenschaft und Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte eingehalten. Zudem ist die Strahlung durch die Topologie nach oben und unten aufgrund der Abschirmung nahe null.

Das System ist also sehr gut gerichtet und geschirmt. Während das Magnetfeld in Leitliniensystemen dauerhaft und über eine große Strecke vorhanden ist, wird es beim Schnellladesystem etaLINK nur dann erzeugt, wenn sich das Fahrzeug mit der Empfängerspule über dem Ladepad befindet.

Das Magnetfeld entsteht nur zwischen den beiden Spulen. Die nach oben ausstrahlenden Feldlinien treffen auf die Empfängerspule, werden vom Fahrzeug abgeschirmt und können Mitarbeiter im oder neben dem Fahrzeug demnach nicht erreichen. Halten Mitarbeiter grundsätzlich einen Abstand von 20 cm zum Ladepad, befinden sie sich komplett außerhalb des Magnetfeldes.

Lange Lebensdauer und hoher Wirkungsgrad

Das patentierte System von Wiferion ist für den langjährigen Dauereinsatz geeignet; der Wartungsaufwand ist gering. Eingriffe in die Gebäudestruktur und spezielle Laderäume sind oft nicht notwendig. Da keine physische Verbindung zwischen Ladegerät und Batterie aufgebaut wird, gibt die intelligente mobile Elektronik auf dem Fahrzeug vor, welche Ladeparameter von der Station geliefert werden sollen.

Der Ladeprozess startet in weniger als einer Sekunde mit Volllast. Dabei entstehen hohe Leistungen bei niedrigem Stromfluss. Der Wirkungsgrad der Systeme ist mit 93 Prozent so hoch wie der der leistungsfähigsten kabelgebundenen Ladelösungen und deutlich höher als die Wirkungsgrade der Leitliniensysteme.

Ein Ladepunkt kann unterschiedliche Batterien bedienen und die Ladekennlinie ist frei programmierbar. Selbst fahrerlose Transportfahrzeuge unterschiedlicher Hersteller lassen sich mit der intelligenten Energielösung zwischenladen.

Schneller Retrofit für einen sicheren Betrieb

Sicherer, effizienter und zukunftsorientierter als Blei-Säure-Batterien sind leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien. Um die klassischen Batterien durch hochwertige zu ersetzen, bietet Wiferion mit dem etaTRAY eine Kombination aus induktiver Staplerbatterie und Batterietrog zum Nachrüsten für Stapler an.

Verfügbar sind Batteriekapazitäten von 100 bis 240 Ah für Batterien mit 12, 24 oder 48 V. Die standardisierten Staplerbatterien lassen sich in wenigen Arbeitsschritten gegen den etaTRAY austauschen – sozusagen der „letzte Batteriewechsel“. Damit verfügen alte Stapler über die neueste Ladetechnik, ermöglichen „In-Process-Charging“, lassen sich flexibel integrieren und bieten den größtmöglichen Schutz für Mitarbeiter und Anlagen. Dabei führt das wartungsarme und zuverlässige System zu einer deutlichen Steigerung von Fahrzeugverfügbarkeit und Produktivität.

Bildergalerie

  • Das kontaktlose Ladesystem etaLINK 3000 verzichtet vollkommen auf Kontakte und Kabel und benötigt keine Wartung.

    Bild: Wiferion

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