TechFak EcoCar

Project Silver-Prototyp NF2

Das ElMo

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 stetig angepassten Fragestellungen zum effizienten Umgang mit Energie in Mobilitätsanwendungen für den vollelektrischen Straßen- und Luftverkehr. Aktuell stehen im Rahmen des “Project Silver” elektrische VTOL-Flächenflug-Konzepte im Zentrum der Arbeit.

Die Projekte richten sich an Studierende der Technischen Fakultät der FAU. Insbesondere werden die Studienrichtungen Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik, Mechatronik, Energietechnik, Maschinenbau, Werkstoffwissenschaften und Informatik angesprochen. Durch Eigenverantwortung und die praktische Anwendung von Studieninhalten zielt das „TechFak EcoCar“ unter anderem auf die Förderung des studentischen Nachwuchses ab. Neben freier Projektarbeit in Eigeninitiative wird auch im Rahmen von Studienleistungen (z. B. Bachelor- und Masterarbeiten) an den Projekten gearbeitet.

Bei der Realisierung des Projekts steht das Fraunhofer IISB mit fachlicher Kompetenz auf dem Gebiet der Leistungselektronik zur Seite und stellt verschiedene Versuchsplattformen sowie Räumlichkeiten zur Verfügung.

Im Rahmen des Projekts legen die Studierenden mit Hilfe von CAx-Tools Struktur, Antrieb und Steuerung gemäß den gestellten Anforderungen bezüglich Sicherheit, Effizienz, Reichweite und Kinematik aus. Mithilfe von Prototypen werden die entwickelten Konzepte unter Labor- und Realbedingungen getestet und implementiert.

Die jeweiligen Arbeitspunkte aus den technischen Themenbereichen durchlaufen mehrere Projektphasen. Interessierte Studierende 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 25 Studierenden.

Aktuelles Projekt

Project Silver-Prototyp NF2

Project Silver

Anfang 2018 begann das aktuelle Projekt "S.I.L.V.E.R." als Nachfolgeprojekt zum Projekt ElMo. Mit diesem Projekt wird die Elektrifizierung von Fahrzeugen auf den Bereich der Luftfahrt durch die Entwicklung von autonomen Flugrobotern ausgeweitet. Das Akronym "Silver" steht hierbei für "Senkrecht startende, intelligente, autonome und langstreckenfähige Versuchsplattform eines elektrischen Rotorfluggeräts". Ziel ist der Aufbau einer funktionalen Forschungsplattform, mit welcher Entwicklungen der Sensorik und der Kommunikation getestet werden können. Durch die Teilnahme an der New Flying Competition^[1] rückten zusätzlich Logistikanwendungen in den Forschungsfokus. Die aktuelle Iteration “Night Fury” ist ein Ergebnis mehrerer Entwicklungsstufen zur Kombination von Multicopter- und Flächenflug. Im Team werden hierfür unter anderem eigene Lösungen für Steuerung, Regelung, sowie Batterie und Batteriemanagement, Flugkörper und Langstreckenkommunikation entwickelt.

Das Grundkonzept nutzt die kombinierten spezifischen Vorteile von Multicopter und Flugzeug. Dies ermöglicht somit das senkrechte Starten und Landen sowie den Übergang in einen effizienten Flächenflug. 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 Flächenflug hingegen erreichen durch die bedeutend höhere Effizienz sehr große Reichweiten, benötigen aber eine Start- und Landebahn.

Die ersten Nurflügel- und Boxwing-Konfigurationen mit abgewandelten Hexa- und Octacopter-Konzepten, die im Rahmen des Project Silver entwickelt und getestet wurden, steuern sowohl im Schwebe-, als auch im Flächenflug lediglich mit Schub- und Drehmomentdifferenzen. Dies reduziert die technische Komplexität des Steuerungssystems und die Anzahl beweglicher Elemente. Der Nurflügler “Silver V1” wurde zunächst als Entwicklungsplattform für das Antriebssystem aus Hartschaum aufgebaut. Hier besteht der Antrieb aus vier kleineren und zwei größeren, langsamer drehenden Brushless-Propeller-Kombinationen. Um vor allem in der Übergangsphase von Schwebe- auf Flächenflug ausreichend Auftrieb zu generieren, wurde im nächsten Schritt ein CFK-Sandwich-Boxwing mit besseren Langsamflug-Eigenschaften konzipiert, der von acht identischen Brushless-Motoren angetrieben wird. Das Vektorsteuerungs-Konzept funktionierte, jedoch wurde die gewünschte Effizienz nur im Copterbetrieb erreicht.

Um den Effizienzfokus mehr auf den höheranteiligen Flächenflug zu legen, basiert die aktuelle Iteration “Night Fury” auf einem konventionellen Starrflügelflugzeug mit Klappensteuerung, das durch vier vertikale Hubmotoren um VTOL-Fähigkeiten erweitert wird. Diese Konfiguration wird auch als QuadPlane bezeichnet.

Flügel- und Ruderflächen werden in CFK-Sandwich in Positivbauweise ausgeführt, während die CFK-Twinbooms und der CFK-Sandwich-Rumpf in Negativbauweise entstehen. Die Bordelektronik nutzt sowohl autonome als auch manuelle Steuerbefehle in Verbindung mit der verbauten Sensorik zur Regelung der vier Brushless-Coptermotoren, des Brushless-Schubmotors und der Ruder. Die Verarbeitung der GPS-, Lage-, Lidar- und Airspeed-Daten erfolgt in der Ardupilot-Umgebung, was autonomen Flugbetrieb ermöglicht. Der momentan verbaute 10 Ah-Lithium-Polymer-Energiespeicher ermöglicht eine Reichweite von knapp 40 Kilometern bei einer Reisegeschwindigkeit von 68 km/h, Das Abfluggewicht liegt bei 9,25 kg inklusive 2 kg Nutzlast.^[2]

Das Night Fury-Konzept befindet sich momentan in der aktuellen Version NF3 und wird stetig weiterentwickelt. Aufgabenbereiche hierbei sind unter anderem Elektronik-Auslegung, Schaltplanerstellung, Bau und Programmierung von Flugreglern, CAD-Konstruktion, FEM-Simulation und Laminatberechnung, CFD-Simulation und Prüfstandsarbeit.

Bisherige Projekte

Project EcoCar

Antriebseinheit

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

Die Auslegung umfasste den kompletten elektrische Antriebsstrang, das Energie- und Fahrzeugmanagement, die Leistungswandler und den Energiespeicher. Auf Grundlage dieser Auslegung erfolgte die Konstruktion und Fertigung der konzipierten Baugruppen. Die Komponenten wurden 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.

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 wurde 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.

Project ElMo

Nach Abschluss des Projektes „EcoCar“ wurde Anfang 2014 das nächste Projekt, genannt „ElMo“ gestartet. Hierbei wurde von den Studierenden eine ähnliche Strategie verfolgt wie beim Projekt „EcoCar“. Bei dem zu modifizierenden Fahrzeug handelte 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 wurde.

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 entwickeltem 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, Car-to-Car, Car-to-Infrastructure, Car-to-Enterprise und Car-to-Home.

Weblinks

• Homepage des Studentenprojekts TechFak EcoCar
• Homepage des Lehrstuhls für elektrische Bauelemente der Uni Erlangen

Einzelnachweise

1. ↑ Erfolgreiche Senkrechtstarter. Abgerufen am 5. Mai 2021. 
2. ↑ Flugmodell – NIGHT FURY. Abgerufen am 5. Mai 2021 (deutsch).