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Das EcoCar

TechFak EcoCar ist ein durch den Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) initiiertes interdisziplinäres Gruppenprojekt. Es befasst sich mit Fragestellungen zum effizienten Umgang mit Energie in Kraftfahrzeugen. Das Projekt richtet sich an Studierende der Technischen Fakultät der FAU. Insbesondere werden die Studienrichtungen Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik, Mechatronik, Energietechnik, Maschinenbau, Werkstoffwissenschaften und Informatik angesprochen.

Die Thematisierung umweltbewusster Fahrzeugkonzepte bietet den Teilnehmern Raum für eigene Ideen und Gelegenheit, Herausforderungen zu meistern. In Eigenverantwortung erarbeiten die Studierenden zukunftsorientierte Lösungsansätze und wenden das im Studium erlernte Wissen bei der Verwirklichung praxisnaher Anwendungen an. Als interdisziplinäres Gruppenprojekt zielt das „TechFak EcoCar“ unter anderem auf die Förderung des studentischen Nachwuchses ab.

Bei der Realisierung des Projekts steht das Fraunhofer IISB mit fachlicher Kompetenz auf dem Gebiet der Leistungselektronik zur Seite und stellt als Versuchsplattform ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bereit.

Planung und ZieleBearbeiten

Im Rahmen des „TechFak EcoCar“-Projekts werden neue, energieeffiziente Konzepte für Elektrofahrzeuge von Studierenden der Technischen Fakultät erforscht. Die sich hierbei ergebenden Arbeiten werden sowohl im Rahmen von Studienleistungen (z. B. Bachelor- und Masterarbeiten) als auch durch Eigeninitiative der Studierenden erbracht. Hierbei legen die Studenten aufbauend auf Ergebnissen aus Computersimulationen den elektrischen Antriebsstrang dem heutigen Stand der Technik entsprechend neu aus. Dies erfolgt auch unter Berücksichtigung der Anforderungen an das Kraftfahrzeug, bspw. Sicherheit, Reichweite und Höchstgeschwindigkeit.

Die Auslegung umfasst den kompletten elektrische Antriebsstrang, das Energie- und Fahrzeugmanagement, die Leistungswandler und den Energiespeicher. Auf Grundlage dieser Auslegung erfolgt die Konstruktion und Fertigung der konzipierten Baugruppen. Die Komponenten werden zunächst unter Laborbedingungen evaluiert und anschließend in die Versuchsplattform integriert. Im Fahrbetrieb erfasste Messdaten ermöglichen die Überprüfung der Simulationsmodelle und erlauben Aussagen über die durch den Umbau tatsächlich erzielte Energieersparnis. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in weitere Optimierungen des Fahrzeugkonzepts und der einzelnen Komponenten ein.

Die jeweiligen Arbeitspunkte aus den technischen Themenbereichen durchlaufen mehrere Projektphasen. Interessierte Studenten können somit die komplette Wertschöpfungskette eines Entwicklungsprozesses von der Idee am Zeichenbrett über erste Prototypentests bis hin zur fertigen Baugruppe im Fahrzeug miterleben. Derzeit besteht das Projektteam aus ungefähr 15 Studenten.

Bisherige ProjekteBearbeiten

Projekt EcoCarBearbeiten

 
Antriebseinheit

Das im Jahr 2008 gestartete Projekt „EcoCar“ befasst sich mit der Umrüstung eines Citroën AX von einem konventionellen Antriebsstrang hin zu einem elektrischen. Dabei konzentrierte sich das Team auf die wichtigsten Hauptkomponenten.

Der Verbrennungsmotor des AX wurde durch einen selbst ausgelegten Elektromotor ersetzt. Für diesen wurde eigens ein neues Gehäuse mit integrierter Flüssigkeitskühlung und integriertem Doppelumrichter konstruiert. Weitere selbst ausgelegte Komponenten des neuen Antriebsstrangs sind die Antriebswellen und die zugehörigen Planetengetriebe. Die gesamte Antriebseinheit zeichnet sich durch ihren kompakten Aufbau und den gemeinsamen Kühlkreislauf aus.

Die Umrüstung von Verbrennungs- auf Elektromotor bringt außerdem eine neue Art an Energieträger mit sich. Der Kraftstofftank ist nicht mehr notwendig und wird durch sechs Batteriemodule ersetzt. Jedes Modul besteht aus zwölf Lithium-Ionen Zellen (LiFePO4) mit einem Energieinhalt von ca. 1,7 kWh. Somit beträgt der Energieinhalt des gesamten Speichers etwa 10,3 kWh.

Ebenfalls neu entwickelt wurde die Fahrzeugkommunikation. Im Fahrzeug erfolgt die Kommunikation einzelner Komponenten über einen CAN–Bus. Da die Fahrzeugplattform des AX in ihrem Ursprungszustand keine CAN–Schnittstelle besaß, wurde ein Adapterboard entwickelt, das die analogen und digitalen Signale des Fahrzeuges auf CAN-Messages überträgt.

Projekt ElMoBearbeiten

Nach Abschluss des Projektes „EcoCar“ wurde Anfang 2014 das nächste Projekt, genannt „ElMo“ gestartet. Hierbei wird von den Studenten eine ähnliche Strategie verfolgt wie beim Projekt „EcoCar“. Bei dem zu modifizierenden Fahrzeug handelt es sich jedoch nicht mehr um einen PKW, sondern um ein Motorrad. Als Basis dient eine Aprilia RXV 550, die mit einem selbst entwickelten elektrischen Antriebsstrang ausgestattet wird.

 
Elektrisch angetriebene Crossmaschine

Als Motor wird eine permanenterregte Synchronmaschine mit einer Leistung von 14 kW eingesetzt. Das zweistufige Getriebe stellt eine Gesamtuntersetzung im Verhältnis 1:2,5 zur Verfügung und ist zusammen mit Motor und selbst entwickelten Umrichter in einer kompakten Antriebseinheit untergebracht.

Der Energiespeicher des Fahrzeugs besteht aus 216 Lithium-Ionen Zellen (LiNiMnCo) die in drei Batteriemodulen zusammengefasst sind. Das Batteriepack hat einen Energieinhalt von 1,92 kWh und liefert eine Nennspannung von 43 V.

Wie beim Vorgängerprojekt auch erfolgt die Fahrzeugkommunikation über einen CAN-Bus. Eine Neuheit stellt die Kommunikationsschnittstelle dar. Sie dient zur Einbettung des Motorrads in die Fahrzeug-zu-X-Kommunikation. Dies bezeichnet den drahtlosen Daten- und Informationsaustausch eines Fahrzeugs mit seiner Umgebung. Die Fahrzeug-zu-X-Kommunikation lässt sich in vier Bereiche einteilen, die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation, die Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation, die Car-to-Enterprise-Kommunikation und die Car-to-Home-Kommunikation.

Projekt SilverBearbeiten

Anfang 2018 begann das Nachfolgeprojekt zum Projekt ElMo und damit das aktuelle Forschungsthema des Teams; das Projekt "S.I.L.V.E.R.". Das Akronym "Silver" steht hierbei für "Senkrecht startende, intelligente, autonome und langstreckenfähige Versuchsplattform eines elektrischen Rotorfluggeräts". Wie der Name impliziert, erweitert sich mit diesem Projekt die bisherige Forschungsrichtung der Elektrifizierung von Fahrzeugen mit dem Bereich der Luftfahrt und der Entwicklung von autonomen Flugrobotern. Im Team werden hierfür unter anderem eigene Lösungen für Steuerung, Regelung, sowie Batterie und Batteriemanagement, Flugkörperentwicklung und Langstreckenkommunikation entwickelt. Ziel ist der Aufbau einer funktionalen Forschungsplattform, mit welcher Entwicklungen der Sensorik und der Kommunikation getestet werden können.

Hierfür wurde ein Konzept eines abgewandelten Hexacopters entworfen, welches 2 unterschiedliche Flugeigenschaften in einem Modell vereinigt. Da Flugroboter in konventionellen Ausführungen meist in einem eher ineffizienten Schwebeflug agieren, bleiben Flugzeiten und Reichweiten sehr begrenzt, die Einsatzorte jedoch sehr flexibel. Flugroboter im Schwebeflug hingegen erreichen sehr große Reichweiten, benötigen aber eine Start- und Landebahn, da die Motoren meist keinen Senkrechtstart ermöglichen, aufgrund ihrer geringen Leistung.

Das im Team entwickelte Konzept vereinigt diese beiden Flugmodi und ermöglicht somit das senkrechte Starten und Landen, sowie den Übergang in einen effizienten Gleitflug. Dafür wurde ein Flugkörper mit großen Tragflächen für den Gleitflug aufgebaut, welcher zwei größere Motor/Propeller-Paare am Heck für den Start- und Landevorgang, sowie vier kleinere Motoren an der Front für die Lageregelung im Schwebeflug und der Erzeugung des Schubs im Gleitflug beinhaltet.

Die Steuerung entsteht auf der Basis eines Pixhawk 2.1, durch die Erweiterung mit einem Companion Computer werden eine Vielzahl neuer Funktionen zur Erfassung und Verarbeitung weiterer Daten möglich. Die Entwicklungen der Teilkomponenten aus den verschiedenen Bereichen dauert an, erste Flugversuche unter realen Bedingungen sind für Ende 2018 geplant.

WeblinksBearbeiten