© Scott van Osdol

Elek­tri­sche Kraft­pa­kete: Inno­va­tive Lithium-Ionen-Batterie für Gabel­stapler

Ethium by ECon­trols führt den schnell wach­senden elek­tri­fi­zierten Gabel­stap­ler­markt in den USA in ein neues Zeit­alter: von der Blei­säure- zur effi­zi­en­teren und nach­hal­ti­geren Lithium-Ionen-Batterie. Dafür hat das Unter­nehmen in fünf Jahren fünf wegwei­sende Tech­no­lo­gien entwi­ckelt. Es bleibt nur eine Frage offen: Warum gibt’s die alte Batterie über­haupt noch?


Die Logistik schließt die Lücke zwischen Produk­tion und Konsum. Alles, was wir in Geschäften kaufen oder online bestellen und nach Hause versenden lassen, wurde woan­ders herge­stellt, verpackt und verladen. Und das mit sehr hoher Wahr­schein­lich­keit irgend­wann auch von einem Gabel­stapler in einem Logis­tik­zen­trum irgendwo auf der Welt. Gabel­stapler sind die flei­ßigen Bienen in Lager und Logistik. Sie arbeiten 24 Stunden am Tag, bis zu 365 Tage im Jahr. Die gute Nach­richt: Der Groß­teil dieser Aber­mil­lionen Maschinen fährt inzwi­schen elek­trisch. Die weniger gute: Der Strom dafür kommt zumeist aus einer Blei­säu­re­bat­terie.

Das ist zum einen wenig umwelt­freund­lich – das Schwer­me­tall Blei hat bereits in geringen Dosen eine gesund­heits- und umwelt­schä­di­gende Wirkung – und zum anderen anstren­gend für die schich­tenden Gabelstaplerfahrer:innen. Bei drei Schichten am Tag muss das Team drei Mal die Blei­säu­re­bat­terie wech­seln. Nach 8 Stunden immer dasselbe Vorgehen: die leere Batterie ans Lade­kabel hängen, den Wasser­stand messen und bei Bedarf nach­wäs­sern, die Ersatz­bat­terie in den Stapler und weiter in die nächste Schicht.

In diesen Boxen steckt ganz schön viel Power. Das ist auch nötig für fleißige Gabelstapler in der Logistik.

Ein Gabel­stapler braucht also mindes­tens 2 bis 3 Blei­säu­re­bat­te­rien pro Arbeitstag, die abwech­selnd geladen, neu einge­setzt und ordent­lich gepflegt werden müssen, damit sie ihre vorge­se­hene Lebens­dauer errei­chen. Ihr Einsatz und ihre Wartung kosten die Logistiker:innen Zeit und Geld.

Elek­tri­fi­ziert – aber wie?

Ethium ist eine Art Start-up inner­halb von ECon­trols, einem in den USA führenden Unter­nehmen für Motor­steue­rung und Kraft­stoff­sys­teme von Gabel­stap­lern. Sie kennen den Markt – wissen, wie Gabel­stapler einge­setzt werden, wie aufwendig und kosten­in­tensiv der Betrieb mit Blei­säu­re­bat­te­rien ist. Jinger McPeak, Vice Presi­dent von Ethium, sagt: „Der Gabel­stap­ler­markt ist sehr weit, was die Elek­tri­fi­zie­rung angeht, viel weiter als beispiels­weise der Bereich Auto­mo­tive. Uns bei Ethium war klar, dass der nächste Schritt jetzt zu einer nach­hal­ti­geren Antriebs­lö­sung gehen muss – also haben wir die fort­schritt­lichste Batterie auf dem Markt entwi­ckelt. Dabei haben wir uns von unseren lang­jäh­rigen OEM-Kunden inspi­rieren lassen, die Teil der Trans­for­ma­tion sind.“

„Der Gabel­stap­ler­markt ist zu weiten Teilen elek­tri­fi­ziert. Jetzt gehen wir gemeinsam mit den OEM den nächsten Schritt zu einer nach­hal­ti­geren Antriebs­lö­sung.“

Jinger McPeak, Vice Presi­dent Ethium by ECon­trols

2016 star­tete Ethium also die Entwick­lung einer Lithium-Ionen-Batterie für den Gabel­stap­ler­markt. Der Vorteil für das Unter­nehmen: die jahre­lange Erfah­rung des Mutter­kon­zerns und die Daten­sätze aus all den Kali­brie­rungen, Motor­steue­rungen und Kraft­stoff­sys­temen für Stapler. Trotzdem begannen die Entwickler:innen komplett von vorne. „Jedes Projekt bei Ethium startet mit einem soge­nannten Level-1-Meeting. Wir stecken kluge Köpfe aus den unter­schied­li­chen Diszi­plinen in einen Raum, schreiben die Idee an die Tafel und sagen: Was denkt ihr? Und dann wird disku­tiert und gehirnt. Bei 200 Ingenieur:innen im Unter­nehmen, viele davon mit Doktor, kann das durchaus lebhaft werden“, erklärt Jinger McPeak lachend, „aber so entstehen die besten Lösungen.“

5 nach­hal­tige Tech­no­lo­gien für die Lithium-
Ionen-Batterie

Insge­samt fünf Jahre haben die Ingenieur:innen an der Lithium-Ionen-Batterie getüf­telt, fünf nach­hal­tige, tech­no­lo­gi­sche Vorteile entwi­ckelt, die ihre Sicher­heit und Lang­le­big­keit garan­tieren. Jinger McPeak spricht von einem „tech­ni­schen Wunder­werk“: Die Batte­riebox ist kompakter als eine übliche Blei­säu­re­bat­terie und hat dabei die doppelte Lade­ka­pa­zität. In nur einer Stunde ist sie voll­ständig aufge­laden und muss nicht gewäs­sert oder wie übliche Lösungen gewartet werden – und lebt trotzdem bis zu viermal länger.

Auch der Umwelt­aspekt war bei der Entwick­lung wichtig: „Der Kern unserer Lösung ist Lithium-Eisen­phos­phat (LFP). Es ist nicht brennbar, nicht explosiv, hat die höchste Lebens­dauer und größte Entla­de­tiefe der infrage kommenden Mate­ria­lien. Es erhält weder Kobalt noch Nickel und damit weniger Rohstoffe.“ Einen der fünf nach­hal­tigen Tech­no­lo­gie­vor­teile nennt Ethium „active balan­cing“.

Jinger McPeak mit zwei Inge­nieuren am Standort San Antonio in Texas. Die Zusam­men­ar­beit im Team könnte dabei kaum wich­tiger sein. (Foto | Scott Van Odsol)

Oben auf der Batterie sind die vier Kompakt­lüfter von ebm-papst montiert, für die aktive Kühlung. (Foto | Scott Van Osdol)

Dabei wird der „Füll­stand“ der Zellen konstant über­wacht und bei Bedarf zum Beispiel Energie von einer volleren in eine mit gerin­gerem Lade­stand geleitet, damit alle Zellen immer gleich­mäßig laden und entladen. Das macht die Batterie deut­lich effi­zi­enter und verlän­gert ihre Lebens­dauer. Zum Schutz setzt Ethium auf „active safety“ und „passive safety“. Bei der aktiven Sicher­heit geht es um die Über­wa­chung der Daten, die konstant von jedem Modul inner­halb der Batterie von einer eigenen Batte­rie­ma­nage­ment-Elek­tronik gelie­fert werden und Aufschluss über den Zustand geben.

Passiv heißt, dass alle Zellen per Bond­draht verbunden sind – verlässt eine Zelle ihre „Komfort­zone“, wird sie wie bei einer Siche­rung auto­ma­tisch ausge­schaltet. Das macht die Batterie zur schlau­esten und ausgleichs­fä­higsten auf dem Markt. Essen­ziell bei Batte­rien ist die rich­tige Tempe­ratur. Dafür gibt es die Tech­no­lo­gien „active heating“ und „active cooling“, erklärt Jinger McPeak: „Die Lang­le­big­keit von Lithium-Ionen-Batte­rien hängt stark davon ab, dass sie immer ange­nehme ‚T-Shirt- Tempe­ra­turen‘ haben. Deswegen werden unsere Batte­rien aktiv gekühlt und aktiv gewärmt.“

Sensoren messen die Tempe­ratur von vielen der Hunderten Zellen pro Batte­rie­modul – insge­samt circa 3.000 Zellen pro Batte­riebox. Wird es zu warm oder zu kalt, stellt das Batte­rie­ma­nage­ment­system entspre­chend die Kühlung oder die Heizung an.

In San Antonio, Texas produ­ziert Ethium seine Batte­rie­lö­sung. Hier wird der Kompakt­lüfter von ebm-papst gerade montiert. (Foto | Scott Van Osdol)
Auch die Produk­tion bei Ethium ist hoch­mo­dern. (Foto | Scott Van Osdol)

Ein Kompakt­lüfter für die Kühlung

Für die aktive Kühlung ist der IP68-geschützte Kompakt­lüfter 4118N/2H4PU von ebm-papst zu ständig. Er saugt Außen­luft durch Kanäle im Gehäuse der Batterie, leitet sie über die Metall­seite der Module und kühlt damit die Zellen ziel­ge­richtet ab. Der Kompakt­lüfter ist UL-zerti­fi­ziert, eine Sicher­heits­be­stim­mung der OEM, die es für den Einsatz auf dem ameri­ka­ni­schen Markt braucht. Joe Giacona, Director Trans­por­ta­tion and Mobile bei ebm-papst in Farmington, USA, sagt: „Ethium kam wegen einer robusten Lösung für die aktive Kühlung ihrer Batterie auf uns zu. Unser Team hat dann in enger Zusam­men­ar­beit mit ihren Ingenieur:innen und unseren Kolleg:innen in Deutsch­land den opti­malen Kompakt­lüfter gefunden, der genau den Leis­tungs­an­for­de­rungen entsprach.“

Jinger McPeak unter­streicht: „Dass sich unsere Ingenieur:innen aufgrund der Leis­tungs­werte und der Robust­heit für den Kompakt­lüfter entschieden haben und dagegen, eine eigene Lösung zu entwi­ckeln, spricht defi­nitiv für das Produkt und ist ein Kompli­ment!“ Möchte ein Kunde nun von der Blei­säure- zur Lithium-Ionen-Batterie wech­seln, kann er die alte Batterie einfach gegen eine neue Batterie von Ethium tauschen und losfahren – wegen der normierten Anschlüsse und der iden­ti­schen Baugröße kein Problem.


So funk­tio­niert die inno­va­tive Batte­rie­lö­sung von Ethium


Einen der größten Vorteile für die Kunden sieht Jinger McPeak aber in der Fülle an Daten: „Wenn jemand eine Gabel­stap­ler­flotte managt, braucht er rund um die Uhr zuver­läs­sige Daten: Lade­zu­stand der Batterie, Stand­zeit, Verhalten während einer durch­schnitt­li­chen Schicht – all diese Daten stellt die Batterie über ein Web-Inter­face zur Verfü­gung. Niemand muss raten oder nach Gefühl handeln. Im besten Fall entde­cken unsere Kunden sogar zusätz­liche logis­ti­sche Kapa­zi­täten und können Gabel­stapler effi­zi­enter einsetzen, ohne neues Equip­ment anschaffen zu müssen.“

Während ihrer Schicht laden die Fahrer:innen die Lithium-Ionen-Batterie jeweils in den kurzen Pausen. Rund eine Stunde pro Schicht reicht völlig aus. Kein Wasser­stand­messen, Wässern oder Warten. Mehrere 1.000 Lade­zy­klen in 18 Monaten ohne den Verlust von Kapa­zi­täten. „Wir sind bereit für die Trans­for­ma­tion“, sagt Jinger McPeak.

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