Ein ungeplanter Spannungseinbruch beim Verfahren einer mobilen Maschine kostet mehr als Stillstandszeit: Sensorwerte werden unplausibel, Steuerungen schalten ab und im schlimmsten Fall entsteht eine sicherheitsrelevante Situation. Ein Maschinenbau-Akkupack-Beispielprojekt zeigt deshalb nicht zuerst eine Batterie mit möglichst hoher Kapazität, sondern einen klaren Entwicklungsweg vom realen Lastprofil bis zum serienfähigen Energiesystem.
Für Maschinenbauer, OEMs und technische Einkäufer ist der Akkupack kein austauschbares Bauteil. Er beeinflusst Verfügbarkeit, Baugrösse, Wartungsaufwand und die elektrische Sicherheit der gesamten Anwendung. Besonders bei mobilen Anlagen, fahrerlosen Transportsystemen, Mess- und Prüfeinrichtungen oder Notstromfunktionen entscheidet die Abstimmung von Zellen, BMS, Gehäuse und Ladegerät über den zuverlässigen Betrieb.
Maschinenbau Akkupack Beispielprojekt: Die Ausgangslage
Als Beispiel dient eine kompakte, fahrbare Prüfmaschine für den industriellen Einsatz. Sie wird während einer Acht-Stunden-Schicht an wechselnden Arbeitsplätzen eingesetzt und hat keinen dauerhaften Netzanschluss. Die Maschine benötigt 24 V DC für Antriebe, Steuerung, Ventile und Anzeige. Im Normalbetrieb liegt die Leistungsaufnahme bei 180 W, während beim Anfahren der Antriebe kurzzeitig 900 W auftreten können.
Die Vorgabe lautet: mindestens eine Schicht Laufzeit, Laden über Nacht, sicherer Betrieb in einer Werkhalle bei 5 bis 35 °C und möglichst wenig Wartung. Der verfügbare Bauraum ist begrenzt. Zudem muss der Akkupack bei Unterspannung kontrolliert abschalten, damit einzelne Zellen nicht tiefentladen werden.
Auf den ersten Blick könnte eine 24-V-Batterie mit ausreichender Amperestundenzahl genügen. Diese Betrachtung greift zu kurz. Entscheidend sind auch die Stromspitzen, die nutzbare Energie, die Alterung, die Ladecharakteristik und die Schnittstelle zur Maschinensteuerung.
Vom Lastprofil zur benötigten Energie
Die Energieplanung beginnt mit Messwerten, nicht mit Annahmen. Im Beispiel ergibt der normale Betrieb mit 180 W über acht Stunden rechnerisch 1’440 Wh. In der Praxis läuft die Maschine jedoch nicht durchgehend unter gleicher Last. Die Antriebe arbeiten nur intervallweise, während Steuerung und Anzeige dauerhaft versorgt werden.
Eine Messung über einen typischen Arbeitstag ergibt folgendes Bild: 110 W Grundlast über acht Stunden, dazu 70 Bewegungszyklen mit durchschnittlich 650 W für jeweils 20 Sekunden. Daraus resultiert ein Energiebedarf von rund 1’120 Wh. Für Alterung, tiefe Temperaturen, Messungenauigkeit und eine Reserve am Schichtende wird sinnvollerweise nicht auf Kante geplant. Mit 25 Prozent Reserve liegt die erforderliche nutzbare Energie bei rund 1’400 Wh.
Bei einem 24-V-System entspräche das theoretisch etwa 58 Ah. Da ein Akkupack jedoch nicht dauerhaft bis zur Abschaltschwelle entladen werden soll und die tatsächliche Spannung nicht konstant bleibt, ist ein Paket mit 24 V und 75 Ah eine passende Grössenordnung. Bei Lithium-Eisenphosphat-Technologie, kurz LiFePO4, steht ein grosser Teil der Kapazität nutzbar zur Verfügung. Trotzdem muss die Auslegung immer die Grenzen des Batteriemanagementsystems berücksichtigen.
Stromspitzen richtig bewerten
Die kurzen 900-W-Spitzen bedeuten bei 24 V einen Strom von knapp 38 A. Ein Akkupack mit 75 Ah kann diese Last grundsätzlich gut liefern, wenn Zellen, Verbindungen, Sicherung und BMS dafür ausgelegt sind. Kritisch wird es, wenn mehrere Verbraucher gleichzeitig starten oder ein Motor aufgrund mechanischer Schwergängigkeit länger hohen Strom zieht.
Daher wird nicht nur der Nennstrom definiert. Für dieses Projekt sind 50 A Dauerentladestrom und mindestens 100 A Spitzenstrom für einige Sekunden sinnvoll. Die exakte Vorgabe hängt von Anlaufzeit, Motorsteuerung und Fehlerfall ab. Eine zu knapp gewählte Stromfreigabe führt zu unerwünschten BMS-Abschaltungen, obwohl die Batterie noch ausreichend Energie gespeichert hat.
Warum LiFePO4 für dieses Projekt passt
Für die fahrbare Prüfmaschine bietet LiFePO4 mehrere praktische Vorteile. Die Zellchemie ermöglicht viele Lade- und Entladezyklen, arbeitet spannungsstabil und benötigt keine regelmässige Wartung wie klassische Blei-Säure-Batterien. Bei gleichem nutzbarem Energieinhalt ist das Gewicht meist deutlich geringer. Das erleichtert die Integration in mobile Maschinen und reduziert die Belastung für Fahrwerk und Bedienpersonal.
Blei-Säure oder Gel kann dennoch die richtige Wahl sein, etwa bei sehr einfachen Anwendungen, sehr niedrigen Anschaffungskosten oder wenn vorhandene Ladeinfrastruktur weitergenutzt werden muss. Im beschriebenen Projekt überwiegen jedoch die Vorteile der Lithium-Technologie: mehr nutzbare Kapazität, geringere Selbstentladung und eine längere Lebensdauer bei regelmässigem zyklischem Einsatz.
Die Chemie allein löst die Aufgabe nicht. LiFePO4-Zellen müssen durch ein abgestimmtes BMS überwacht und geschützt werden. Das gilt besonders dann, wenn die Maschine bei kalten Temperaturen geladen wird oder hohe Impulsströme auftreten.
Das BMS ist Teil der Maschinenfunktion
Ein Batteriemanagementsystem überwacht Zellspannungen, Temperatur und Strom. Es schützt den Akkupack vor Überladung, Tiefentladung, Überstrom und Kurzschluss. In einem Maschinenbauprojekt muss zusätzlich geklärt werden, wie die Maschine auf eine Schutzabschaltung reagiert.
Im Beispiel soll das BMS bei niedriger Restenergie nicht plötzlich die Versorgung trennen, während die Prüfmaschine einen laufenden Vorgang ausführt. Besser ist eine abgestufte Strategie: Das BMS stellt die letzte Schutzebene dar, während die Maschinensteuerung frühzeitig eine Warnung erhält. Bei etwa 20 Prozent Restkapazität wird der Bediener informiert. Sinkt die Spannung weiter, sperrt die Steuerung neue Prüfzyklen und fährt Antriebe in eine definierte Parkposition. Erst danach greift bei Bedarf die Abschaltung des Akkupacks.
Für diese Funktion ist eine Kommunikationsschnittstelle hilfreich. Je nach Anwendung kann das BMS Statusdaten über CAN, RS485 oder ein einfaches digitales Signal bereitstellen. Nicht jede Maschine benötigt CAN-Kommunikation. Bei einer einfachen Hilfsanwendung reicht eine Spannungsüberwachung. Bei einer vernetzten OEM-Maschine sind detaillierte Daten zu Strom, Temperatur, Ladezustand und Fehlermeldungen dagegen ein echter Betriebs- und Servicevorteil.
Bauform, Gehäuse und Anschluss entscheiden mit
Die elektrische Berechnung ist erst die halbe Konstruktion. Im Projekt steht für den Akkupack ein Einbauraum von 420 x 260 x 180 mm zur Verfügung. Der Pack muss für Servicezwecke zugänglich bleiben, darf aber nicht durch Vibrationen, Staub oder unbeabsichtigtes Berühren gefährdet sein.
Ein geeignetes Gehäuse schützt die Zellen und hält die geforderte Schutzart der Maschine ein. Die konkrete IP-Anforderung hängt vom Einsatzort ab. In einer trockenen Werkhalle gelten andere Bedingungen als bei einer Bau- oder Landwirtschaftsmaschine. Wichtig sind definierte Befestigungspunkte, zugentlastete Kabeldurchführungen und Steckverbinder, die gegen Verpolung gesichert sind.
Auch die Sicherung wird nicht nach Gefühl dimensioniert. Sie muss Leitungen und Akkupack im Fehlerfall schützen, ohne bei zulässigen Stromspitzen auszulösen. Hauptschalter, Not-Halt-Konzept und Ladeanschluss gehören in dieselbe Sicherheitsbetrachtung. Wird über einen externen Anschluss geladen, muss ausgeschlossen sein, dass sich die Maschine unbeabsichtigt in Bewegung setzt.
Ladegerät und Ladeprozess von Anfang an festlegen
Ein passender Akkupack benötigt ein Ladegerät mit dem richtigen Ladeprofil. Für ein 24-V-LiFePO4-System ist ein Ladegerät erforderlich, das zur Zellzahl, Ladeschlussspannung und BMS-Freigabe passt. Ein altes Ladegerät für Blei-Säure-Batterien ist dafür nicht automatisch geeignet.
Im Beispiel stehen acht bis zwölf Stunden für die Nachtladung zur Verfügung. Ein Ladegerät mit 10 A liefert rechnerisch rund 240 W und kann einen 75-Ah-Pack in diesem Zeitfenster zuverlässig nachladen. Die reale Ladezeit hängt vom Ladezustand, der Temperatur und dem Ladeverhalten des BMS ab. Höherer Ladestrom verkürzt die Zeit, erhöht aber Anforderungen an Anschluss, Wärmeabfuhr und Stromversorgung.
Bei Maschinen im Mehrschichtbetrieb kann ein Wechselakku-Konzept sinnvoll sein. Das spart Ladezeit im Betrieb, erfordert aber sichere Steckverbindungen, klare Handhabung und ein Konzept für Lagerung sowie Ladeplätze. Ist die Maschine nur tagsüber im Einsatz, ist ein fest integrierter Akkupack mit Nachtladung oft wirtschaftlicher und einfacher zu bedienen.
Prototyp validieren, bevor die Serie startet
Bevor die Serienfreigabe erfolgt, muss der Akkupack unter realen Bedingungen geprüft werden. Ein Labortest bei konstanter Last reicht nicht aus. Entscheidend sind Anfahrspitzen, Abschaltverhalten, Ladezyklen, Temperaturverhalten, Vibrationen und die Reaktion auf Bedienfehler.
Für das Beispielprojekt gehören dazu ein vollständiger Schichttest, wiederholte Startvorgänge bei niedrigem Ladezustand und ein Test der Kommunikation zur Steuerung. Auch der Fall eines blockierten Antriebs muss betrachtet werden: Erkennt die Maschine die Überlast rechtzeitig, oder trennt erst das BMS? Die bevorzugte Antwort ist immer eine kontrollierte Reaktion der Maschine vor der Schutzabschaltung.
Erst nach diesen Prüfungen werden Kabelquerschnitte, Schutzwerte, Softwaregrenzen und Gehäusedetails final festgelegt. Bei wiederkehrenden Stückzahlen lohnt sich eine dokumentierte Spezifikation mit Lastprofil, elektrischen Grenzwerten, Schnittstellen und Prüfablauf. Sie verhindert, dass spätere Änderungen an Motoren oder Steuerungen unbemerkt die Batterieauslegung überfordern.
Ein kundenspezifischer Akkupack ist dann wirtschaftlich, wenn er nicht nur in den Bauraum passt, sondern die Maschine über ihre gesamte Einsatzdauer planbar versorgt. Accutron unterstützt solche Projekte von der technischen Anforderung über den Prototyp bis zur Serienlösung. Der beste nächste Schritt ist ein gemessenes Lastprofil – denn daraus entsteht ein Akkupack, der im Arbeitsalltag zuverlässig liefert.
