ELEKTROMOBILITÄT

FORSCHERGRUPPE

EDITHA

Arbeitspaket 4 "Versuchsplattform für Betriebsstrategien zum Betreiben von Range Extendern / E-Mobility"

 Unter dem Aspekt einer ausreichend zur Verfügung stehenden elektrischen Energiequelle stellen elektrisch angetriebene Fahrzeuge eine ebenbürtige wenn nicht sogar eine überlegenere Funktionsweise gegenüber konventionell angetriebenen Fahrzeugen dar. Die mittelfristige Eliminierung der heute vorherrschenden Nachteile wird über den Erfolg von Elektrofahrzeugen entscheiden. Innerhalb des Forschungsprojektes ELISA „Modulare Leichtbaukomponenten für periphere E-Mobilitätssystemlösungen“ wurden Konzepte für die Reichweitenverfügbarkeit von Elektrofahrzeugen durch die Adaptierung von Zusatzsystemen für alternative Energiebeaufschlagungen entwickelt. Zielstellung der Projektarbeiten waren die Erforschung prinzipieller Wirkungsweisen und Betriebsstrategien, Konzeption und Aufbau von Modulträgern von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Realisiert wurden innerhalb  des Projektes die Forschungsplattformen  bzw. -prototypen Nachlauf Range Extenders, ecoCarrier und Edihta2.0. Die erarbeiteten Ergebnisse dienen als Grundlage für die weitere Beforschung von elektromobilen Problemstellungen, welche ferner technologiegetriebene Markteintrittsszenarien öffnen.  

Das Verbundprojekt wird gefördert durch die EUROPÄISCHE UNION „Investitionen in Ihre Zukunft“  Europäischer Fond für Regionale Entwicklung (FKZ: 1304/00028). An den Arbeiten innerhalb Arbeitspaket 4 beteiligt war ein interdisziplinäres Teams der Lehrstühle Lehrstuhl für Technische Dynamik, Konstruktionstechnik und Mechatronik der Fakultät für Maschinenbau.

Voraussetzungen und Zielstellung

Unter dem Aspekt einer ausreichend zur Verfügung stehenden elektrischen Energiequelle stellen elektrische Antriebsstränge in automobilen Anwendungen eine ebenbürtige wenn nicht sogar eine überlegenere Funktionsweise gegenüber der konventionellen verbrennungsmotorischen Antriebsstränge dar. Das Team der Magdeburger Wissenschaftler stellte sich das Gesamtziel, basierend auf dem Stand der Forschung und den aktuell verfügbaren Techniken, die Konzeption, den Aufbau und die Verwendung alternativer Energiequellen für elektrische Antriebsstränge in automobilen Anwendungen zu beforschen. Im Fokus der Forschungstätigkeiten standen vor allem ergänzende Systeme, welche den primären Energiespeicher (die Hochvoltbatterie) entlasten, beziehungsweise durch die Verwendung von ergänzenden Systemen (Range Extender) in der Lage sind, den primären Energiespeicher vom elektrischen Antriebsstrang zu entkoppeln oder laden zu können. Die Notwendigkeit des Forschungsvorhabens sah das Team der Wissenschaftler vor allem in der Zielstellung der Auflösung der begrenzten Reichweiten von elektrisch angetrieben Automobilen, um die Akzeptanz und die Nutzungsmöglichkeiten dieser gegenüber potenzialen privaten als auch gewerblichen Nutzern zu erhöhen. 

Aufbauend auf dem bereits vorhandenen Modulträger Editha 1.0 besitzt die Otto-von-Guericke-Universität erste Erkenntnisse im Bereiche innovativer Antriebsstränge, welches das Alleinstellungsmerkmal einer effizienten Platzausnutzung für Kleinstfahrzeuge durch die radnahe Positionierung aufweist. Der sich aus diesem Antriebskonzept ergebende Bauraumgewinn eignet sich, um elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit ergänzenden Systemen aus alternativen Energiequellen aufzurüsten und so die Gesamtreichweite deutlich zu steigern.

Die durchgeführte Sondierung der bisherigen Aktivitäten im Bereich von alternativen Energiequellen bzw. zusätzlicher Systeme zur Reichweitensteigerung von Fahrzeugen mit elektrischem Antriebsstrang zeigte ein Innovationspotenzial im Bereich der Miniaturisierung von Verbrennungs- und Elektromotoren auf. Gekennzeichnet von Einzelansätzen industrieller als auch universitärer Art, konnten bisweilen keine endkundenorientierten Lösungen bzw. am Markt erhältliche Systemlösungen eruiert werden. Zu dem Zeitpunkt der Recherche beschränken sich die Informationen auf Konzepte und Prototypen einzelner Akteure. Das Team der Magdeburger Wissenschaftler sah hierbei die Möglichkeit, dass auch die bisher weniger beachtete Konstruktionsprinzipien von Verbrennungskraftmaschinen (Wankel, Gasturbine,) in Hinblick auf den Einsatz alternativer Energiequellen für die Reichweitensteigerung von Fahrzeugen mit elektrischem Antriebsstrang in den Vordergrund treten könnten, da diese für solche Anwendungsfälle wenig entwickelt oder erforscht wurden.

Insbesondere vor dem Hintergrund des Einsatzes von Fahrzeugen mit elektrischem Antriebsstrang im urbanen Umfeld basierend auf Kleinstwagenkonzepten oder dem Einsatz von alternativen Energiequellen für Nutzfahrzeuge mit elektrischem Antriebsstrang stellt dies tiefgreifende Anforderungen an die Gewichtsoptimierung von Antriebskomponenten als auch an die Elektromotorentechnik.

Forschungsansätze innerhalb des Range Extender Systems

Ermittlung der Betriebszustände

In der Startphase des Projektes stand für das Team der Magdeburger Wissenschaftler die Ermittlung der Anforderungen an die Leistungsbedarfe für den Einsatz der Energiequellen und die sich daraus ergebende Definition der Betriebsstrategie im Vordergrund der Arbeiten. Ziel dieser Vorbetrachtung war die Erhebung der Komplexität des Steuerungsaufwandes, welcher grundlegend für die Komponenten Auswahl ist.

Als Ergebnis entstand ein grundlegender Zustandsautomat, auf Basis dessen das Team der Magdeburger Wissenschaftler verschiedener Betriebsstrategien eines Range Extender Systems darstellen kann. Für die Darstellung einer maximalen Effizienz der zusätzlichen Energiequelle als Range Extender ist das Team der Magdeburger Wissenschaftler zu dem Schluss gekommen, dass ein Betrieb in verschiedenen Punkten angestrebt werden sollte. Wie sich diese Betriebspunkte darstellen, ist hauptsächlich von dem Kennfeld der Antriebsmaschine abhängig. 

   Grundschema Betriebsstrategie Range Extender  (Klick für größeres Bild)

Antriebstechnik

Nach der Definition der Betriebsstrategien und einer Festlegung der Systemparameter für die Range Extender als alternative Energiequelle, befasste sich das Team der Magdeburger Wissenschaftler mit der Recherche einer geeigneten Antriebstechnik. Für die Recherche nach Antriebskomponenten für integrierte Range Extender Systeme, fokussierte sich das Team der Magdeburger Wissenschaftler auf Verbrennungsmotoren einem geringen Bauvolumen und einem kleinem Leistungsgewicht. Gerade in Hinblick auf diese Anforderungen an das Range Extender System, wird ein wassergekühltes System notwendig. Des Weiteren werden durch die prototypische Anwendung Verbrennungsmotoren notwendig, die eine offene Schnittstelle zum Motorsteuergerät gewährleisten, um auf die relevanten Motordaten zugreifen zu können und diese durch die Steuer- und Regelungstechnik auswerten zu können.

Die Recherche zeigte, dass unter dem Begriff „Range Extender Motor“ oder „Range Extender“ Konzepte verschiedener Unternehmen wie Mahle, Lotus oder Steyr Motors GmbH ausfindig gemacht werden können. Anfragen hinsichtlich der Verfügbarkeit bzw. Verwendungsfähigkeit dieser Antriebskomponenten blieben zuweilen unbeantwortet oder wurden verneint. Nach dem derzeitigen Stand handelt es sich hierbei um Funktionsmuster. Das zur Verfügung stellen von verwendungsfähigen Gebrauchsmustern konnte daher nicht erfolgen.

Dem Team der Wissenschaftler boten sich nach der Sondierung und Bewertung der Rechercheergebnisse zwei Optionen. Zum einen ein klassischer Hubkolben Motor, der Rotax ACE 600, zum anderen ein Wankelmotor der Firma Engiro. Beide Motoren stellen bezüglich ihres Leistungsgewichtes derzeitig die besten, für das Team der Magdeburger Wissenschaftler zur Verfügung stehenden, Antriebskomponenten für die Range Extender Systeme dar. Allerdings haben beide Antriebskomponenten konzeptionelle bzw. Bauart bedingte Schwächen, weshalb es einer Weiterentwicklung dieser bedarf.

Steuerung

Das Team der Magdeburger Wissenschaftler setzte sich das Ziel, die Erfahrungen aus dem Aufbau des Modulträgers Editha 1.0 sowie die gewonnenen Erkenntnisse bei der Recherche der passenden Komponenten für den elektrischen Antriebsstrang, in einer Optimierung hinsichtlich der Steuerung und Regelung des Antriebsstranges einfließen zulassen. Zudem ist die Steuerung der geforderten elektrischen Leistung von Range Extendern stark von der dynamischen Fahrsituation abhängig. Für das Zusammenspiel aus der verfügbaren Leistungsabgabe und -aufnahme, müssen die dynamischen Systemparameter des Modulträgers ausgewertet werden, auf die Regelung der elektrischen Antriebe und des Range Extenders übertragen werden.

Für die dynamischen Steuerung der elektrischen Antriebe und Generatoren wurde CAN Bus fähigen Leistungselektronik aus der GEN4 Reihe der Firma Sevcon Limited eingesetzt.

Funktionsprototypen

Nachlauf Range Extender

Im Anschluss an die Komponentenauswahl und Konzeption folgte der Aufbau eines Funktionsprototypen als Nachlauf Range Extender (NRE) realisieren auf einem Anhängerfahrgestell. Ziel hierbei war die Verifikation der vorherigen Arbeiten zur Auswahl und Auslegung von Range Extender Komponenten und der Betriebsstrategie auf Basis des Modulträgers Editha 1.0 durchzuführen.

Für die Erprobung unter realen Fahrbedingungen erfolgte im Sommer 2013 die Straßenzulassung des NRE als Modulplattform für Range Extender Systeme. Mit der erfolgten Straßenzulassung des NRE führte das Team der Magdeburger Wissenschaftler Mess- und Erprobungsfahrten durch. Die Messfahrten zeigten, dass im NRE Betrieb eine deutliche Entlastung des Hochvolt-Batteriespeichers erfolgt. Das Ziel 90-100% des benötigten Fahrstroms auf Bundesautobahnen zu erzeugen wird durch dieses System erfüllt.

  Funktionsprototypen Nachlauf Range Extender (Klick für größeres Bild)

Eco Carrier

Der Modulträger EcoCarrier ist ein elektrischer angetriebener Klein-LKW, geplant und konstruiert von der Firma Ecolution in Wunstorf. Dieser Modulträger hat einen nutzfahrzeugtypischen Aluminiumleiterrahmen und eine Fahrgastraumverkleidung aus Kunststoff. 

Mit dem Ziel der Realisierung eines leistungsstarken Hochvolt-Batteriespeichers auf Lithium Basis startete das Team der Wissenschaftler mit der Konfektionierung des Hochvolt-Batteriespeichers. Um Platz für den IRE zu gewährleisten, beschränkte sich das Team der Magdeburger Wissenschaftler auf die Nutzung eines Batteriefaches. Zur Realisierung einer möglichst hohen Speicherkapazität erfolgte die Auswahl passender Lithium-Eisen-Phosphat-Batteriezellen und der Ausarbeitung von Einbauvarianten unter den Aspekten der effizienten Bauraumausnutzung und Montagefähigkeit durch die Erstellung von CAD Modellen. Das Team der Magdeburger Wissenschaftler konnte somit einen hochstromfesten Hochvolt-Batteriespeicher mit ca. 50 % mehr Speicherkapazität und einer Gewichtseinsparung von ca. 43 % realisieren.

 Modulträger EcoCarrier (Klick für größeres Bild)

Die zweite Umbauphase befasste sich mit der Einpassung des internen Range Extender Systems in den Modulträger EcoCarrier. Einen weiteren Schwerpunkt bei der Realisierung des IRE im Modulträger EcoCarrier bildeten die Planung und der Aufbau der notwendigen Kabelbäume für die Steuerungs- und Messsignale. Aufgrund der nun montierten Zusatzsysteme in diesem Modulträger wurden eine Überarbeitung des bestehenden 12V Systems notwendig und eine Komplettintegration eines eigens für den IRE umgesetzten Kabelbaums. Dieser erstreckt sich vom Wärmetausche in der Front über die Zentralelektronik im Fahrgastraum bis zum IRE im Heck des Fahrzeugs.

Das Ergebnis der Forschungsarbeit am Modulträger EcoCarrier ist ein Funktionsmuster eines IRE unter Verwendung von Standardkomponenten. Durch die erweiterte Steuerungsmöglichkeiten, im Vergleich zu dem NRE, kann das Team der Magdeburger Wissenschaftler komplexere Steuerungsmodelle erstellen und somit die anfangs eruierten Betriebszustände erweitern, einen effizientere Betrieb des IRE ermöglichen und dynamisch auf Fahrsituationen bzw. Anwenderwünsche reagieren. Zudem konnte das Team der Magdeburger Wissenschaftler durch die eigens durchgeführte Batteriekonfektionierung ein tieferes Verständnis zur Auslegung von Hochvolt-Batteriesystemen, für den Modulträger EcoCarrier an sich als auch allgemein für Elektrofahrzeug erarbeiten.

Editha 2.0

Mit dem Modulträgers Editha 2.0 realisierte das Team der Magdeburger Wissenschaftler ein zweites Konzept eines IRE. Hierbei kommt das Range Extender System der Firma Engiro zum Einsatz. Es handelt dabei um ein System aus Wankelmotor und Generator mit einem Systemgewicht von nur 32 kg. Durch den Wankelmotor als Antriebskomponente können erhebliche Gewichts- und Bauraumvorteile erzielt werden. Das Team der Magdeburger Wissenschaftler sieht unter Verwendung dieses IRE Systems aufgrund der Bauraum- und Gewichtsvorteile die Möglichkeit eine Modularität elektrischer Antriebskomponenten weiter voran zu treiben.

   CAD Einpassung Range Extender Editha 2.0 (Klick für größeres Bild)

   Funktionsträger Editha 2.0 (Klick für größeres Bild)

Die Forschungsarbeiten am Modulträger Editha 2.0 hatten zum Ergebnis, dass das Team der Magdeburger Wissenschaftler die komplex vernetzte Thematik des Gesamtfahrzeugs und Ansätze des Thermomanagements von Elektrofahrzeugen tiefgründig hinterfragen konnte und somit die sich aus einem elektrischen Antriebsstrang ergebenden Problemstellung eruieren konnte. Eingeschlossen stellte gerade die Verringerung des Bauraums für den Hochvolt-Batteriespeicher eine Herausforderung dar, wodurch verstärkt in Richtung der Batteriekonfektionierung mit Hochenergiezellen geforscht wurde. Ein weiteres Ergebnis ist die Überarbeitung des radnahen Antriebs des Modulträgers Editha 1.0: einerseits aufgrund der Anpassung an moderne PSM Elektromaschinen, andererseits durch die Überarbeitung der Konstruktion der Antriebsachse. Somit ist eine präzisere Ausrichtung der PSM Elektromaschinen möglich, wodurch genauere Fertigungstoleranzen möglich werden und das Spiel in der Kraftübertragung reduziert wird.

Der Modulträger Editha 2.0 als Funktionsmuster an sich veranschaulicht den aktuellen Stand der Technik im Bereich der elektrischen Antriebe bis 120 V. Das von dem Team der Wissenschaftler weiterentwickelte Alleinstellungsmerkmal des radnahen Antriebs kann nun aufgrund der erweiterten Sensorik und Steuerungsmöglichkeiten um fahrdynamische Regelungsmechanismen wie dem Torque Vectoring erweitert werden. Mit der Antriebskomponente des Wankelmotors ist das Team der Magdeburger Wissenschaftler das Ziel, ein Funktionsmuster und Demonstrator von aktueller Kleinstmotorentechnologie darzustellen.

Netzwerk

Der Aufbau des Netzwerks für Elektromobilitätsanwendungen stellte einen stetigen Prozess während der Forschungsarbeiten im Projekt ELISA dar. Im Zuge der Recherche und der Entwicklungsarbeit von Range Extender Systemen hatte das Team der Magdeburger Wissenschaftler die Zielstellung, ein Netzwerk aus Elektrofahrzeugumrüstern und forschenden Unternehmen und Einrichtungen hinsichtlich alternative Energiequellen ins Leben zu rufen und auszubauen. Die Zielstellung ist zum einen die Synchronisation der Komponentenentwicklung für Elektrofahrzeuge als universelle anwendbare Lösung für die Integration in die kommenden Modulträger des Teams der Magdeburger Wissenschaftler. Zum anderen kann das Team der Magdeburger Wissenschaftler Anforderungen an die Komponenten der Akteure des Netzwerkes zurückspiegeln und somit die funktionsorientierte und universelle Anwendbarkeit ausbauen. Im Rahmen der Arbeiten im Projekt ELISA trat das Team der Magdeburger Wissenschaftler mit diversen Firmen aus dem Bereich der Elektrofahrzeugtechnik in Kontakt. Diese Firmen stellen zum einen Einzelkomponenten oder Teilsysteme her, zum anderen sind diese auf die Anwendung von elektrischen Komponenten und Antriebe spezialisiert,

  Auszug Netzwerk Editha Team (Klick für größeres Bild)

Speziell das Netzwerk zu bzw. innerhalb der Elektroauto Rallye „WAVE“ ist essentiell. Durch die Zusammenführung mehrerer klein und mittelständischen Unternehmen sowie Forschungseinrichtungen im Arbeitsbereich Elektromobilität in der Kategorie „Pioniere“ erfolgt ein Kompetenzaustausch aktueller, zukünftiger und effizienter Lösung für die Problembereiche von Fahrzeugen mit elektrischem Antriebsstrang.