TechFak EcoCar: Energieeffiziente Fahrzeugkonzepte
Übersicht der Arbeitspakete
Im Folgenden findet sich eine Liste der Arbeitspakete des interdisziplinären Gruppenprojekts, die
- eine Übersicht der abgeschlossenen Arbeiten,
- eine Zusammenfassung der laufenden Arbeiten und
- Vorschläge für weitere Arbeiten
aus den unterschiedlichen Themenbereichen enthält.
Bereich 1: Entwicklung eines grundlegenden Konzepts für die Umrüstung (und verwandte Themen)
• Konzeptstudie zur Umrüstung eines handelsüblichen PKWs in ein reines Elektrofahrzeug abgeschlossen
• Entwicklung eines Simulationsmodells für Elektrofahrzeuge abgeschlossen
Bereich 2: Konzeption und Entwicklung von Messverfahren sowie Aufbau von Messtechnik
• Inbetriebnahme der dSPACE-MicroAutoBox und Entwicklung einer Auswerteschaltung zur Überwachung der einzelnen Zellpotenziale abgeschlossen
• Einsatz eines GPS-Datenloggers zur Aufnahme und Untersuchung von realitätsnahen Fahrzyklen mittels Matlab/Simulink abgeschlossen
Bereich 3: Dimensionierung und Realisierung des elektrischen Antriebs
• Simulative Analyse konvektiver Entwärmungsvorgänge in E-Maschinen für Hybrid- und Elektroautos laufend
• Entwicklung und Realisierung einer Hybridfahrzeugsteuerung auf einer dSPACE-MicroAutoBox mit Matlab/Simulink laufend
• Entwicklung modularer Simulationsmodelle für Asynchronmotorregelung mit C-Code Generierung laufend
• Entwicklung einer wassergekühlten Leistungsendstufe für einen Doppelumrichter laufend
• Entwicklung eines Simulationsmodells für die thermische Untersuchung einer elektrischen Antriebseinheit für Elektro- und Hybridfahrzeuge laufend
• Konstruktion einer Getriebeeinheit abgeschlossen
Bereich 4: Dimensionierung und Realisierung des elektrischen Energiespeichers
• Realisierung eines CAN-Bootloaders mit graphischer Benutzeroberfläche (GUI) zur Programmierung von Atmel Controllern in einem modular aufgebauten Batterie-Management-System laufend
• Inverse Sicherungsbauelemente auf Basis bistabiler Schalter laufend
• Entwicklung eines integrierbaren Strom- und Spannungsmesssystems zur Anwendung in der Batterie-Systemtechnik laufend
• Entwicklung eines Batterie-Management-Systems für Lithium-Ionen Akkumulatoren in Matlab-Simulink abgeschlossen
• Entwicklung einer aktiven Zellsymmetrierung für Li-IonenAkkusysteme abgeschlossen
• Entwicklung eines modularen mikrocontrollerbasierten Batterieüberwachungssystems mit Ladeschlussspannungsbegrenzung abgeschlossen
Bereich 5: Dimensionierung und Realisierung der elektrischen Energieübertragung
Beschreibung der Arbeitspakete "Entwicklung eines grundlegenden Konzepts für die Umrüstung" (und verwandte Themen)
Konzeptstudie zur Umrüstung eines handelsüblichen PKWs in ein reines Elektrofahrzeug
Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Konzept zur Umrüstung eines konventionellen PKWs in ein reines Elektrofahrzeug erarbeitet werden. Anhand eines konkret vorgegebenen Serienfahrzeugs sind alle Aspekte einer Umrüstung zu beleuchten. Dies umfaßt Fragen der Auswahl und Auslegung der elektrischen Antriebsmaschine, der Integration der verschiedenen Komponenten eines E-Antriebs (E-Maschine, Umrichter, elektrischer Energiespeicher, etc.) in das Fahrzeug, der Kühlung dieser Komponenten, der Gewichtsverteilung, der Sicherstellung aller erforderlichen Hilfsfunktionen (z.B. Lenk- und Bremsunterstützung), sowie sicherheitstechnische Aspekte. Vorschläge zur Integration aller E-Antriebskomponenten in das Fahrzeug sind zu erarbeiten.
Die Auslegung des elektrischen Antriebsmotors soll gestützt auf einem vorhandenen Matlab/Simulink Fahrzeugmodell erfolgen, mit dem Ziel, Fahrleistungen zu erreichen, die denen des mit einem Verbrennungsmotor ausgestatteten Originalfahrzeugs gleichwertig sind. Unter Berücksichtigung der konkreten Einbauverhältnisse sind die geometrischen Daten der Maschine in Abstimmung mit potentiellen E-Motorenlieferanten festzulegen.Studienrichtung: EEI/Mech/MB/WW
Entwicklung eines Simulationsmodells für Elektrofahrzeuge
Im Rahmen dieser Arbeit ist eines Simulationsmodells in Matlab/Simulink für rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge zu entwickeln. Durch einen modularen Aufbau der Simulationsumgebung und physikalisch basierte Parametersätze soll die Untersuchung unterschiedlichster Fahrzeug- und Antriebsstrangkonfigurationen (letzteres umfaßt insbesondere den Elektromaschinentypen, Getriebeart und abstufungen, Art und Kapazität des elektr. Energiespeichers, u.a.) ermöglicht werden.
Um praxisnahe Aussagen über die erzielbare Reichweite treffen zu können, ist der Energieverbrauch aller relevanter Nebenaggregate (incl. Beleuchtung, Zuheizer, etc.) bei der Energiebilanz zu berücksichtigen.
Die wichtigsten Komponenten des Antriebsstrangs sowie das Kühlsystem sind mit thermischen Modellen zu hinterlegen. Für wesentliche Ergebnisgrößen sind statistischen Auswertemöglichkeiten (z.B. Häufigkeitsverteilungen) vorzusehen.
Mit Hilfe der Simulationsumgebung sind für drei Beispielfahrzeuge, darunter ein Zweirad, umfassende Parameterstudien auf der Basis von standardisierten und selbst definierten Fahrzyklen durchzuführen.
Studienrichtung: EEI/Mech
Anforderungen an Elektrofahrzeuge unter verschiedenen Einsatzbedingungen und Konzeption des jeweiligen Antriebstrangs
Die Anforderungen an den Antriebstrangs von Elektrofahrzeugen hängen stark von dessen Einsatzbedingungen ab. Neben den bereits bestehenden kommerziellen Lösungen im Bereich der Nutzfahrzeuge (Gabelstapler, Omnibusse, Elektro-Lokomotiven) rücken auch Personenkraftwagen mit elektrischem Antrieb immer mehr in das Bewusstsein der Öffentlichkeit. Durch die Dimensionierung des elektrischen Antriebs (E-Motor, Energiespeicher etc.) können auf die jeweiligen Einsatzbedingungen abgestimmte Eigenschaften des Fahrzeugs erzielt werden.
In diesem Arbeitspaket soll für drei verschiedene Einsatzgebiete (Kleinwagen für Stadtverkehr, Sportwagen, Limousine für Langstrecken) der elektrische Antriebstrang optimiert werden. Dabei sind zunächst relevante Anforderungen an das jeweilige Fahrzeug zu ermitteln und aus ökonomischer Sicht zu bewerten.
Ausgehend von den zu realisierenden Anforderungen soll dann der Antriebstrang entwickelt und mit Hilfe eines bestehenden Simulationsprogramms verifiziert werden. Für die Fahrzeugkonzeptionen sind außerdem die Eckdaten des Fahrzeugs (Reichweite, Gewicht, Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit) zu ermitteln und miteinander zu vergleichen.
Studienrichtung: EEI/Mech/MB
Beschreibung der Arbeitspakete "Dimensionierung und Realisierung des elektrischen Antriebs"
Konstruktion einer Getriebeeinheit
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines kompakten, einstufigen Getriebes für die Antriebseinheit eines Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugs. Die Einheit bestehend aus einer E-Maschine und einem Untersetzungsgetriebe soll als Antrieb einer Fahrzeugachse dienen. Das Getriebe übernimmt die Anpassung der Drehzahl der E-Maschine an die Raddrehzahl.
Aufgrund des sehr begrenzten Bauraums, und um die aktive Länge des Elektromotors maximieren zu können, ist auf eine möglichst kompakte Auslegung des Getriebes zu achten. Dazu sind vorab verschiedene Lösungskonzepte zu erstellen. Zu untersuchen sind auch Möglichkeiten der Realisierung eines Abkuppelns des E-Motors vom Rad, um die Schleppverluste zu minimieren.
Die geeignetste Getriebevariante ist auszuwählen, und in Form einer CAD-Konstruktion (Pro/ENGINEER) auszuarbeiten.
Studienrichtung: Maschinenbau
Beschreibung der Arbeitspakete "Dimensionierung und Realisierung des elektrischen Energiespeichers"
Entwicklung eines Batterie-Management-Systems für Lithium-Ionen Akkumulatoren in Matlab-Simulink
In aktuellen Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen finden sich vor allem NiCd- oder NiMh-Akkumulatoren als Traktionsbatterie. Um den Anforderungen nach höherer Reichweite und Leistung zukünftiger Fahrzeuge zu genügen, wird jedoch der Einsatz anderer Zell-Systeme nötig. Eine Alternative bieten Lithium-Ionen-Systeme, die höhere Energiedichten und Lebensdauer ermöglichen. Für den sicheren Betrieb dieser Akkumulatoren sind jedoch entsprechende Batterie-Management-Systeme (BMS) nötig, die zum einen fortlaufend Spannungen, Temperatur und Ströme der Einzelzellen überwachen und zum anderen Größen wie den aktuellen Ladezustand berechnen und an übergeordnete Instanzen im Fahrzeug weitergeben. Die Arbeit umfasst die Entwicklung eines möglichen BMS für einen Akku aus Lithium-Eisenphosphat Zellen. Dafür sollen zunächst geeignete Kenndaten der Zellen aufgenommen werden, aus denen anschließend ein Modell in Matlab-Simulink zu erstellen und verifizieren ist. Den zweiten Teil der Arbeit bildet die Umsetzung des Modells auf eine geeignete Zielhardware und die Verifikation und Bewertung des Systems.
Studienrichtung: EEI/Mech
Beschreibung der Arbeitspakete "Dimensionierung und Realisierung der elektrischen Energieübertragung"
Entwicklung eines Umrichters für einen elektrischen Fahrzeugantrieb
Für eine aktive Fahrzeugachse ist ein Doppel-Umrichter zu entwickeln, der die beiden Elektromotoren der Einzelradantriebe (ca. 2x 20kW) versorgt. Der Umrichter soll innerhalb des Gehäuses der elektrischen Antriebseinheit seitlich neben den Elektromotoren angeordnet werden. Alle Komponenten des Doppel- Umrichters - d.h. die Leistungshalbleiter, deren Ansteuerung und Kühlung, der Zwischenkreiskondensator, das EMV-Filter, die Stromsensorik und Steuerelektronik mit CAN-Interface - sind konstruktiv in die Antriebseinheit zu integrieren.
Ausgehend von einer Spezifikation des Bauraums, der Vibrationsbelastung und der thermischen Randbedingungen sind die elektrischen Komponenten auszulegen, und CAD-Konstruktionen für den Umrichter einschließlich aller seiner Einzelkomponenten auszuarbeiten. Alle kritischen Details der Konstruktion sind durch thermische Simulationen abzusichern. Erforderliche kundenspezifischen Komponenten sind mit den jeweiligen Herstellern bzgl. ihrer Machbarkeit abzuklären. Auf eine robuste, montage- und wartungsfreundliche Konstruktion ist besonderer Wert zu legen.
Studien-/Projektarbeit; Studienrichtung: EEI/Mech