600 A Inverted Pantograph Dispenser Charging Solutions for E-Bus Depots

600 A Inverted Pantograph Dispenser Charging Solutions for E-Bus Depots

Stromabnehmer werden häufig zum opportunistischen Laden von Elektrobussen (E-Bussen) eingesetzt. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Ladetechnologie ist eine neue Generation von Stromabnehmern entstanden, die den Bedarf an Schnellladung in Depots deckt.

Dieser Artikel untersucht zunächst Stromabnehmer zum Laden von Elektrobussen und stellt anschließend deren Anwendung beim opportunistischen Laden vor. Abschließend wird die Möglichkeit des Einsatzes von Stromabnehmern als Schnellladegeräte für Elektrobusse in Depots erörtert.

Stromabnehmer (Pantographen) verfügen über scherenförmige Arme, die das Busdach mit einem festen Mast an der Ladestation verbinden. Das Stromabnehmersystem für Elektrobusse basiert auf dem von Stadtbahnen und Straßenbahnen. Sobald ein Elektrobus an einer Ladestation ankommt, fährt der Stromabnehmer automatisch aus. Beim Kontakt kann der Ladevorgang der Busbatterie beginnen.

Pantographen sind Hochleistungsladegeräte mit einer typischen Leistung von 150 kW bis 550/650 kW. Sie dienen häufig als temporäre Verbindungen zu den entlang der Strecke vorgesehenen Ladestationen, um den Elektrobus aufzuladen. Dies wird als opportunistisches Laden bezeichnet.

Stromabnehmerkonfigurationen

Es gibt zwei Konfigurationen für das Laden mit Stromabnehmern: Der Stromabnehmer kann vom Dach des Busses hochfahren (Stromabnehmer-Riser-Typ) oder er kann von der Ladestation nach unten ausgefahren werden, um sich mit dem Bus zu verbinden (Stromabnehmer-Senk-Typ).

Stromabnehmer-Absenksystem
Bei einem Stromabnehmer-Absenksystem senkt sich der umgedrehte Stromabnehmer von der Oberseite der Ladestation ab und verbindet sich mit einer Schiene auf dem Busdach, wodurch die Verbindung zur Batterie hergestellt wird.

Der Stromabnehmer empfängt eingehende Anrufe vom Bus drahtlos, stellt die Verbindung her und initiiert den Ladevorgang.

Pantograph-Steigsystem
Bei einem Stromabnehmer-Anfahrsystem ist der Stromabnehmer auf dem Dach des Elektrobusses montiert. Wenn der Bus an der Ladestation ankommt, fährt der Stromabnehmer vom Dach aus und stellt eine elektrische Verbindung mit dem Stecker der Ladestation her.

Von den beiden Systemen ist das Stromabnehmer-Hebesystem technisch einfacher umzusetzen. Dieser Stromabnehmertyp wird vom Lokführer aus dem Führerstand gesteuert, während das Stromabnehmer-Senksystem eine WLAN-Infrastruktur zur Aktivierung der Verbindung benötigt.

Das Laden von Elektrobussen vor Ort reicht möglicherweise nicht aus, um den betrieblichen Bedarf der Strecke zu decken, insbesondere bei längeren Fahrstrecken. In diesem Fall muss der Elektrobus normal aufgeladen oder schnellgeladen werden. Stromabnehmer entlang der Strecke können die Reichweite des Busses während des Betriebs verlängern. Daher ermöglichen Stromabnehmer und ihre Hochvolt-Ladegeräte neben dem nächtlichen Laden der Elektrobusse auch das Schnellladen, sodass die Busse tagsüber längere Strecken zurücklegen können. Stromabnehmer befinden sich typischerweise an Bushaltestellen, Terminals oder wichtigen Haltestellen entlang der Strecke.

Stromabnehmer-Ladeleistung
Die Ladeleistung der Stromabnehmer liegt zwischen 150 kW und 600 kW. Eine vollständige Ladung eines Elektrobusses dauert 5 bis 20 Minuten. Schnellladen (nicht unbedingt eine vollständige Ladung) dauert 5 bis 7 Minuten. Der Ladevorgang kann während der Haltestellen erfolgen. Fahrgäste können während des Ladevorgangs wie gewohnt ein- und aussteigen.

Pantograph als Schnellladegerät
In einigen Industrieländern sind Stromabnehmer zusätzlich zu denen an Endbahnhöfen auch an wichtigen Haltestellen entlang der Strecke installiert. Elektrobusse werden dort während des Ein- und Aussteigens der Fahrgäste schnell aufgeladen. Eine 600-Kilowatt-Schnellladestation in Genf soll die Batterien Berichten zufolge in nur 15 bis 20 Sekunden vollständig aufladen können.

Langsame und schnelle Ladestationen
Die Ladetechnologie an Ladestationen entwickelt sich ständig weiter. Anfänglich wurden an Ladestationen Netzladegeräte verwendet, die 6-8 Stunden benötigten, um einen Elektrobus vollständig aufzuladen. Diese „langsame Lademethode“ war nicht optimal:

• Bei Unternehmen mit großen Flotten von Elektrobussen war der Ladebedarf hoch.

• Für Situationen, in denen das verfügbare Ladefenster in der Nacht deutlich kürzer war als die Ladezeit des Netzladegeräts.

• Für den Betrieb von Wechselstromladegeräten benötigten Elektrobusse Bordwandler. Da diese nur eine begrenzte Kapazität aufweisen und daher typischerweise klein sind, verlängert sich die Ladezeit.

Für Depots, die von langsamen Wechselstromladegeräten auf Schnellladegeräte umsteigen, liegt es nahe, Gleichstrom-Schnellladegeräte einzusetzen. Der Gleichstromwandler befindet sich am Ladegerät und nicht am Elektrobus. Daher können externe Wandler eine höhere Umwandlungsleistung aufweisen. Dies erhöht nicht nur die Ladegeschwindigkeit, sondern verkürzt auch die Ladezeit.

Normalerweise dauert das Aufladen eines Busses mit einem DC-Schnellladegerät mit einer Leistung von höchstens 100 kW etwa vier Stunden, abhängig von der Batteriekapazität.

 

Elektrobusse können mit einem Schnellladesystem mittels Stromabnehmer ausgestattet werden, um das Laden der Batterien an Haltestellen entlang der Strecke und in Depots zu ermöglichen und so die betriebliche Effizienz und die Umschlaggeschwindigkeit zu verbessern.

Es gibt zwei Installationsmethoden für das Stromabnehmersystem: Der Stromabnehmer kann auf dem Dach des Busses oder direkt auf dem Lademast montiert werden (umgekehrter Stromabnehmer).

Die vorhandene Infrastruktur bestimmt in der Regel die Wahl des Stromabnehmertyps. Verfügt eine Stadt bereits über Oberleitungsladestationen mit Stromabnehmern, entscheiden sich die Betreiber üblicherweise für eine umgekehrte Lösung, bei der die Ladeschienen ausschließlich an den Fahrzeugen angebracht werden.

Die Pantografen-Ladestation ist eine am Straßenrand befindliche Ladeeinrichtung mit einer Oberleitungskonstruktion. Bei der Ankunft eines Busses senken sich die Kontaktpunkte der Oberleitung ab und verbinden sich mit der Schiene auf dem vorderen Dach des Busses, wodurch ein schnelles Laden mit Gleichstrom ermöglicht wird.

Die iEngineering Group bietet DC-Ladelösungen mit erweiterter Reichweite für Elektrobusse. Unsere iPower-Serie integriert Ladestationen und Stromabnehmer in eine kompakte und effiziente Lösung.

Das System unterstützt drei Funktionsmodule: Laden über Stecker, Laden über Stromabnehmer und Netzrückkopplung (Gleichstrom zu Wechselstrom). Es eignet sich hervorragend für Schnellladestationen an den Anfangs- und Endpunkten von Stromleitungen und kann bis zu einer maximalen Leistung von 400 kW angepasst werden.

• Stromabnehmer absenken: Da sich der Stromabnehmer-Stellmotor auf der Ladestation und nicht auf der Busseite befindet, sind zusätzliche Schritte erforderlich, da der Bus der Ladestation das Absenken signalisieren muss. Der Bus stellt eine (vorzugsweise sichere) WLAN-Verbindung zur Ladestation her und gibt dann das Signal zum Absenken des Stromabnehmers. Da sich mehrere Ladestationen in der Nähe befinden können, muss die Ladestation sicherstellen, dass der darunter liegende Bus derjenige ist, der den Stromabnehmer anfordert (und nicht ein benachbarter Bus), und dass sie sich in der richtigen Position befindet. Dies geschieht mithilfe eines RFID-Positionierungssystems mit Beacons am Bus. Sobald die Ladestation die Position und Identität des Busses bestätigt hat, kann sie den Stromabnehmer absenken. Diese zusätzlichen WLAN- und RFID-Kommunikationskomponenten sowie die zugehörigen Steuergeräte erhöhen die Komplexität erheblich. Das Stromabnehmer-Steuergerät auf der Ladestationsseite ist im Vergleich zum Absenken des Stromabnehmers eine zusätzliche Komponente. Da es nur für Busse verwendet wird, bleibt es ein Spezialprodukt mit geringen Stückzahlen. Dies führt dazu, dass weniger Ladestationshersteller das Absenken des Stromabnehmers unterstützen können, und die Elektronikkosten und -komplexität steigen.