Kurzfassung


Hilden, den 16.01.2010

PENTAVELO

FüNF ENERGIEQUELLEN AUF DREI RÄDERN

 

OFFENE DOKUMENTATION (BETA)

 

von

 

Fabian Preiß
BERGISCHE UNIVERSITäT WUPPERTAL

Mats Marcus
RWTH AACHEN

Tobias Bach
SCHIFFSBETRIEBSTECHNIKER FGS KARLSRUHE

 

BETREUER:
Dr. Johann Pleschinger
HELMHOLTZ-GYMNASIUM HILDEN

 

Pentavelo - Logo (erstellt mit Inkskape)

 

Kurzfassung

Das Pentavelo ist die Weiterentwicklung des Jugend forscht Projektes „Der Hybrid - Brennstoffzellen - Roller“ aus dem Jahre 2008. Im Gegensatz zum Vorgängerprojekt konstruierten wir das aktuelle Fahrzeug von Grund auf eigenständig. Infolge dessen waren wir bedacht, so weit wie möglich erneuerbare Energien zu nutzen, sowie dem Anwender verschiedene Möglichkeiten ihrer Nutzung zu bieten. Hierzu werden Hochleistungsakkus durch Solarzellen, Muskelenergie, Bremsenergie und eine PEM-Brennstoffzelle1 geladen. Auf diese Weise kann die Energie vom Motor zur Fortbewegung genutzt werden. Wir wollen mit unserem Projekt zeigen, dass die oben genannten Energien in einem einzelnen Fahrzeug alltagstauglich und effizient genutzt werden können.

 

Zur kurzen beschreibung des Projektes kann auch ein Radiobeitrag von Radio Leverkusen angehört werden

Click to download in MP3 format (2.32MB)

Einleitung

Projektidee

Der Grundstein zu unserem Projekt wurde bereits 2005 gelegt, als unser Schulsponsor 3M den drei Schülern des Helmholtz-Gymnasiums Tobias Bach, Thomas Dietz und Fabian Preiß ein Projekt nahe legte, bei dem von 3M zur Verfügung gestellte Brennstoffzellentechnik ein kleines Fahrzeug antreiben sollte. Aus diesem Ansatz entstand unter dem Titel „Umbau eines Rollers auf Brennstoffzellenbetrieb“ unser erstes Jugend forscht Projekt, welches wir 2008 in weiterentwickelter Form und mit anderer Besetzung unter dem Namen „Der Hybrid-Brennstoffzellenroller“ ebenso im Landeswettbewerb erfolgreich präsentieren konnten.
In Anlehnung an unsere vorangegangenen Projekte wollen wir die Arbeiten mit einem deutlich verbesserten Konzept fortsetzen.

 

Zielsetzung

Mit dem Pentavelo haben wir uns das ehrgeizige Ziel gesetzt ein Fahrzeug zu entwickeln, das durch die Verwendung zukunftsweisender Technologien Maßstäbe setzen soll, ohne den Benutzer durch diverse Unzulänglichkeiten zu gängeln. Im Mittelpunkt steht zudem, dass das Fahrzeug möglichst geeignet für den Stadtverkehr sein soll. Außerdem soll es von der elektronischen Seite her über bewährte in moderneren Autos zu findende, sowie einige von uns entwickelten Elemente verfügen. Dazu haben wir uns im Gegensatz zu den vorangegangenen Projekten gegen den Umbau eines bereits existierenden Fahrzeuges und für ein eigens dafür entwickeltes Fahrzeuggestell entschieden. Wir sind bestrebt, mit Hilfe von bis zu 5 verschiedenen Energiequellen bestehend aus einer Brennstoffzelle, der Nutzung von Muskelkraft (durch einen pedalbetriebenen Generator), Solarzellen, Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) sowie einem Hochleistungsakku eine konstante Geschwindigkeit von 50 für mindestens 6 Stunden halten zu können. Des weiteren möchten wir eine Höchstgeschwindigkeit von mindestens 70 erzielen.
Mit unserem Projekt erhoffen wir uns die Aneignung technischer, software- und teambezogener Fertigkeiten, die uns den Einstieg in breitflächige Themen- und Aufgabenbereiche erleichtern.
Unser abschließendes Ziel gilt der Abnahme des Pentavelos durch den TÜV. Mit diesem Projekt möchten wir zeigen, dass selbst ein kleines Team von Jugendlichen ein umweltschonendes und nützliches Fahrzeug entwickeln kann, zu dessen Herstellung und Serienfertigung bisher noch keines der in diesem Bereich tätigen Unternehmen in der Lage war.

 

Verwendete Materialien

Im Laufe unseres Projektes sind wir mit Software und Techniken in Berührung gekommen, von der wir vor wenigen Jahren weder gehört, geschweige denn eine davon hätten anwenden können. Insbesondere sind im Softwarebereich die Programme SolidWorks und Solid-Edge im 3D-CAD-2 sowie Eagle im 2D-CAD-Bereich zu nennen, auf die wir eine Ermäßigung erhielten und für die Fahrzeugkonstruktion bzw. Platinenentwicklung Einsatz fanden. Für einige der Grafiken kam des Weiteren eine Schülerversion von Adobe Photoshop zum Einsatz. Die schriftliche Arbeit wurde mit dem freien auf LATEX basierenden Textverarbeitungsprogramm LY X verfasst. Zur weiteren Dokumentation und Präsentation dieser und vergangener Arbeiten haben wir eine Homepage[1] erstellt, die unter einer GNU-Lizenz3 stehende Joomla! CMS4 verwendet. Die Mikrocontroller werden über BASCOM-AVR und PonyProg beschrieben. Vereinzelt waren ferner das Schreiben von Simulationen über Visual Studio und Matlab Inhalt unserer Arbeit.
Neu für uns aus technischer Sicht war der Zugang zu einem WIG-Schweißgerät5 , welches uns selbst das Schweißen von Edelstahl ermöglichte, einer Drehbank zum Anfertigen der Gehäuse für die Beleuchtung, sowie zu einer 5-achsigen CNC-Fräse6 , mit der uns diverse Teile in Sonderanfertigung hergestellt worden sind.

Entwicklung und vorgehensweise

Konstruktionsplanung in SolidWorks

Konstruktionsmappe Übersicht_03  Heckschwinge


Eine große Neuerung dieses Projektes liegt für uns in der im Voraus geplanten Fahrzeugkonstruktion, die beinahe vollständig in der Schülerversion von SolidWorks erstellt wurde. Da wir bis zur Fertigstellung der heutigen Version durch neue Ideen, Konzepte und gesammelte Erfahrung mehrfach Konstruktionen verwerfen mussten, gehörte dieser Arbeitsschritt zu einem der zeitaufwendigsten, zumal ein Großteil der nachfolgend erwähnten Arbeiten bereits eine vollständige Konstruktion voraussetzte. Aufgrund von Überlegungen zur besseren Lenkbarkeit und Aerodynamik entschieden wir uns gegen das Konzept, vorne nur ein lenkbares Rad zu verbauen. Dies bereitete uns jedoch gravierende Probleme, da die Vorderräder somit neben einer Federung über ein Lenktrapez verfügen mussten, über dessen Notwendigkeit wir uns erst im Klaren waren, als Tobias, der das Fahrzeugkonstrukt entwarf kurz vor seiner Wehrdienstzeit in Stralsund stand. Eine geeignete Lösung für dieses Problem fanden wir erst gegen Ende Dezember.
Ebenso bereitete uns die Implementierung des Motors bereitete maßgebliche Schwierigkeiten - ein Einbau in ein lenkbares Rad kam durch das hohe Trägheitsmoment nicht in Frage. Die Idee, das Antriebsrad über ein Getriebe anzusteuern erwies sich jedoch ebenfalls als eine beachtliche Schwierigkeit. Probleme hatten wir hier hauptsächlich in der Komplexität der Untersetzung und durch vor Schmutz ungeschützten Aufbau. Letztendlich entschieden wir uns für einen Nabenmotor, der wiederum eine aufwendige CNC-gefräste Halterung erfordern sollte, jedoch nur wenig Platz braucht und eine höhere Leistung als unsere vorangegangenen Konzepte bietet.

 

Bau des Edelstahlrahmens

#  02_Stahlrahmen punktierte Nähte 27.8.2009    #  04_Stahlrahmen Schweissnähte 2.9.2009


Eine weitere Arbeit, die wir beinahe vollständig (mit Ausnahme von einigen Einweisungen bei dem WIG-Schweißverfahren) selbst in die Hände genommen haben, war die Anfertigung des Edelstahlrahmens. Wir verwenden hauptsächlich drei verschiedene quadratische Hohlprofile mit einer Wandstärke von 2 mm.
Zunächst haben wir dazu die verschiedenen Rohre, die wir laut unseren in SolidWorks erstellten Plänen benötigten, geschnitten und mit den entsprechenden Gärungen versehen. Dazu stand uns eine nicht allzu geeignete Bandsäge zur Verfügung, bei der wir zur Schonung der Maschine ein Gegengewicht anbringen mussten, um den Vorschub zu reduzieren. Nachdem wir sämtliche Profile angefertigt hatten, konstruierten wir eine Holzschablone, die wir nutzten, um die losen Edelstahlprofile modellgestützt in die entsprechende Position zu bringen. Dieses Unterfangen nahm mehrere Wochen durchgehender Arbeitstage in Anspruch, die wir unter anderem in Form von Bildern dokumentiert haben.
Der zunächst letzte Arbeitsschritt bezüglich des Rahmens lag im Schweißen der Konstruktion, wozu wir freundlicherweise durch Unterstützung der Schlosserei Bernd Heinemann in Solingen erstmalig ein WIG-Schweißgerät verwenden konnten. Unser gesamter Rahmen wog nach der Fertigstellung zu diesem Zeitpunkt rund 21,5 kg. In Folge dessen sind einzelne Teile des Rahmens, wie die Pedalhalterung und die Befestigungen für die Konsole bisher noch nicht implementiert.

 

Anfertigung der CNC-Teile

CNC Heckschwinge 7.11.2009_04

Bedingt durch den Bau unserer Eigenentwicklung war es erforderlich, einige Edelstahl und Aluminium-Teile einzelnd anfertigen zu lassen. Dazu haben wir für diese zunächst in SolidWorks technische Zeichnungen angefertigt, welche CNC-gestützt in der Firma R&W in Bad Münstereifel gefertigt wurden. Die Maschinenprogrammierung und Steuerung hat der Cousin von Fabian übernommen, welcher zuvor einige Jahre in der Firma beschäftigt war und sich bereit erklärte, die Fräsarbeiten zum Selbstkostenpreis durchzuführen.

 

Elektronik

 

Eagle Screenshot Leiterbahnen Eagle Screenshot Schaltplan


Nachdem wir bei unserem Hybrid-Brennstoffzellen-Roller auf eine komplett eigenständig entwickelte Elektronik gesetzt haben, entschieden wir uns, beim Pentavelo ähnliche Schritte zu gehen. Jedoch nutzten wir unsere gewonnenen Erfahrungen, um diese besser zu planen und zu strukturieren, da wir im vergangenen Projekt nachträgliche Arbeiten durch die zahlreichen Verbindungskabel zwischen den Platinen nur schlecht durchführen konnten. Im Gegensatz zum vorangegangenen Projekt sind wir bestrebt vorzugsweise SMD-Technologie7 einzusetzen, wodurch wir die Leistungsfähigkeit bei kleinerer Elektronik drastisch erhöhen können.

Smd Symbolbild    Eines der von uns verwendeten SMD-Bauteilen im Größenvergleich

Auch die verwendeten Mikrocontroller sind in der Lage, deutlich mehr Daten zu verarbeiten und verfügen über eine größere Anzahl an Ein- und Ausgängen. Da die Komplexität steigt, lassen sich mehr Module einzelnd ansteuern, der Verbrauch kann durch Abschalten nicht benötigter Elektronik verringert werden. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von SMD-Technik liegt in dem geringeren Platzverbrauch und Gewicht.
Die komplexere Elektronik machte darüber hinaus die Anschaffung der Vollversion der 2D-CAD-Software Eagle erforderlich, da die Möglichkeit Layouts in den von uns geplanten Größenordnungen anzufertigen in der freien Version nicht gegeben ist.
Die Unterbringung der Elektronik geschieht in einer Box, die es erlaubt mehrere Platinen nebeneinander in eine Führung einzuschieben. Da die Steckerverbindung auf der Rückseite angebracht wird, ist die Entnahme und der Austausch der Platinen mit einem deutlich geringeren Aufwand verbunden, als bei dem Konzept, welches wir beim Hybrid-Brennstoffzellen-Roller verwendeten.

Verkehrszulassung

Beleuchtung Cree MC-E 752lum_1    Pentavelo Zubehör


Unser Ziel nach Abschluss des Fahrzeugbaus liegt in einer Zulassung für den Straßenverkehr, die Geschwindigkeiten von über 45 erlauben soll. Bereits in der Konstruktionsphase haben wir diverse Dinge beachten müssen, um den aus der STVZO entnommenen Anforderungen so weit wie möglich entsprechen zu können. Dazu gehört zum Beispiel ein automatisches Rückstellsystem der Räder, welches bei Lenkausschlag durch eine Neigung der Radhalterung diesem entgegenwirkt. Eine weitere wesentliche Anforderung betrifft die Beleuchtung, welche mit festgelegter Position und Intensität vorhanden sein muss. Dazu haben wir mit Hilfe einer Drehbank verschiedene Gehäuse für Hochleistungs-LEDs gebaut. Insbesondere Fernlicht und Abblendlicht mussten hohen Anforderungen genügen, da für dreirädrige Elektrofahrzeuge ab einer bestimmten Geschwindigkeit sogar eine höhere Helligkeit vorausgesetzt wird, als bei gewöhnlichen PKWs. Dazu haben wir 4 Cree MC-E LEDs verbaut, die jeweils eine Helligkeit von 753 Lumen bei einem Verbrauch von 10 Watt haben. Zu den weiteren Ansprüchen der STVZO gehört unter anderem das Vorhandensein einer Warnblinkanlage, einer Hupe, sowie einem Warndreieck und einem Verbandskasten.
Durch die Rekuperation verfügt unser Fahrzeug neben den vorderen Hydraulikbremsen und der am Hinterrad angebrachten Scheibenbremse über drei unabhängige Bremssysteme, die einen schnellen Stillstand des Fahrzeuges bei Ausfall eines Bremssystems erlauben.
Schwierigkeiten bei der Zulassung erwarten wir bei den verwendeten Rädern, da die Reifen herstellerseitig eine zugelassene Maximalgeschwindigkeit besitzen müssen, welche bei Fahrradreifen standardmäßig nicht angegeben wird. Ähnliche Probleme könnte uns das erforderte Vorhandensein eines Scheibenwischers bereiten, da wir bisher weder eine Frontscheibe, noch einen Scheibenwischer für das Fahrzeug besitzen.

Technische Spezifikationen

 

Das Brennstoffzellensystem

Baugruppe - Wasserstoff -Technik

 

Brennstoffzellenstack8

Der von uns verwendete PEM-Brennstoffzellenstack hat eine Leistung von ca. 450 Watt bei einer Spannung zwischen 24 und 28 Volt und setzt sich aus insgesamt 33 Einzelzellen der Größe 70 · 140 · 6mm zusammen. Da der Motor deutlich höhere Leistungsspitzen erreichen kann, dient die Brennstoffzelle derzeit primär als zusätzliches Aggregat, mit welchem sich die Akkus bei Bedarf laden lassen. Dies schont die Brennstoffzelle, da sie bei gleichmäßigerer Belastung im optimalen Wirkungsgradbereich eine längere Lebensdauer hat.

 

Wasserstoffflasche

Wie bereits bei unseren vorangegangenen Projekten verwenden wir als Speicher für den Wasserstoff einen kleinen Metallhydrid-Speicher. Es handelt sich für gewöhnlich um eine mit Magnesium oder Palladium gefüllte Kartusche. Sie nutzen den Effekt, dass sich Wasserstoff schon bei geringem Druck unter Abgabe von Wärme an das Metallgitter bindet, dabei entsteht Metallhydrid. Dies ermöglicht bei gleichem Volumen und Druck eine deutlich höhere Speicherdichte als die Verwendung von Druckflaschen ohne Metallhydrid. Zusätzliche Sicherheit beim Umgang mit Wasserstoff kommt zudem dadurch zustande, dass die verwendeten Drücke bei gerade mal 16 bar liegen und der unkontrollierte Prozess der Wasserstoffabgabe durch die hierbei entstehende rapide Abkühlung des Speichers zum Erliegen kommt.
Der von uns verwendete Speicher ist leider nach wie vor verhältnismäßig klein und fasst bei einem Eigengewicht von ca. 2 kg nur um die 16 g bzw. 200 Liter Wasserstoff.
Diese Menge reicht aus, um den Akku um ca. 25 % zu laden, was sich durch einen größeren Speicher jedoch deutlich verbessern ließe. Da uns Wasserstoff derzeit nur begrenzt zur Verfügung steht, lässt sich durch den Benutzer wählen, ob die gesamte Flasche zum Laden benutzt wird oder ob nur ein bestimmter Ladezustand des Akkus gehalten oder erreicht werden soll.

 

Gaszufuhrsystem

Neben einem Wasserstoffeingang benötigt eine PEM-Brennstoffzelle weitere Bauteile zur Ansteuerung. Insbesondere der Sauerstoffeingang muss versorgt werden. Der benötigte Sauerstoff wird aus der Umgebungsluft entzogen, wozu ein Kompressor der Firma KNF Neuberger eingesetzt wird. Das Modell N815KNDC läuft bei einer Betriebsspannung von 12 Volt mit 2 Ampere und hat eine Förderleistung von 16 Unsere Elektronik verwendet für den Kompressor eine PWM-Ansteuerung9 , um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Da die Brennstoffzelle einen Druckunterschied von maximal 0,5 bar verkraften kann, verwenden wir einen entsprechenden Druckminderer. Wir messen sowohl über Manometer, als auch über elektrische Drucksensoren den Druck, der jeweils an Flasche und Brennstoffzelle vorherrscht. Dies erlaubt uns eine digitale Füllstandsermittlung, die der Controller in weitere Berechnungen einbeziehen kann.
Weitere Pneumatikelemente sind unsere beiden digital ansteuerbaren Druckventile, die neben dem Kompressor für eine genaue Dosierung der Reaktionsgase Verwendung finden. Weiterhin eingeplant ist der Einbau eines Luftbefeuchters bzw. eines Feuchtigkeitssensors auf der Sauerstoffseite, diese Technik soll es uns ermöglichen, die Lebensdauer der Brennstoffzelle durch Vermeidung von Austrocknung bei langen Standzeiten oder extremen Wettersituationen zu erhöhen.

 

Solarzellen

Wir haben geplant, im Rahmen der Verschalung unseres Fahrzeuges in die Außenhülle Solarzellen einzubauen. Wir rechnen damit, dass sich Solarzellen mit einer Gesamtleistung von bis zu 200 Watt verbauen ließen. Aufgrund des derzeitigen Projektstandes halten wir es jedoch nicht für realistisch, bereits zum Regionalwettbewerb eine Verschalung vorführen zu können.

 

Lithium-Ion-Mangan-Akkus

Lithium Ion Mangan Akku    3D-Modell eines Akkupaketes

Unser Fahrzeug verwendet zwei in Reihe geschaltete Akkupacks mit jeweils 8 parallel und 10 in Reihe geschalteten Akkus des Typs IMR 18650E [2]. Jede Einzelzelle hat einen Spannungsbereich von 2,5-4,2 Volt bei optimalen 3,8 Volt, sowie eine Kapazität von 1400 mAh. Der maximal zulässige Ladestrom liegt bei 6,5 Ampere, der maximal zulässige Entladestrom bei 20 Ampere. Die Leistungsdichte wird mit 315 bzw. mit 126 angegeben. Damit liegen die LiIonMn-Akkus zwar etwas hinter LiIon- oder LiPo- Akkumulatoren, wir haben uns jedoch für LiIonMn-Akkus aufgrund deren gutmütigeren Handhabung, besseren Ent-/Ladeeigenschaften und geringeren Explosionsgefahr entschieden. Für unseren Fall bedeuten diese Werte einen Energiegehalt von 851,2 Wh bzw. 11,2 Ah bei einem Gewicht von ungefähr 7 kg. Der Spannungsbereich liegt folglich bei 50-84 Volt mit optimalen 76 Volt. Die Zellen können, ohne Schaden zu nehmen einen Strom von bis zu 160 Ampere abgeben, was Controllerseitig jedoch auf 50 Ampere limitiert wird. Trotz der relativ hohen Sicherheit ist von einem Kurzschließen der Akkus durch den geringen Gesamt-Innenwiderstand von ~80 mO und dem daraus resultierenden Kurzschlussstrom von ca. 1000 Ampere deutlich abzuraten.

 

Motoren/Generatoren

Crystalyte Motor - Baugruppe

Bei unserem Antriebsmotor handelt es sich um den Drehstrom-Nabenmotor „Crystalyte 5304“, der bei unserer Akkuspannung und unserem 20“-Rad das Fahrzeug auf eine Geschwindigkeit von bis zu 75 beschleunigen kann. Ein Getriebe ist bei diesem Motor nicht vorhanden und würde uns kaum Vorteile bringen, da in unserem Geschwindigkeitsbereich ausreichend Drehmoment vorhanden ist. So erreicht der Motor beim Anfahren ein maximales Drehmoment von bis zu 110 Nm und fällt erst bei Geschwindigkeiten von 50 unter 40 Nm. Der Antriebsmotor kann zudem zur Rekuperation verwendet werden und ist technisch gesehen in der Lage, die gleiche Geschwindigkeit in Rückwärts-, wie in Vorwärtsrichtung zu erreichen.
Um Muskelenergie nutzen zu können, planen wir einen Tretkurbelmotor als Generator zu verwenden, mit dem wir eine Leistung von bis zu 250 Watt erreichen können.

 

Elektronik

 

Motoransteuerung

Die Motoransteuerung ist bei dem verwendeten Drehstrommotor wesentlich komplexer als bei einem Gleichstrommotor, dementsprechend entschieden wir uns, den vom Hersteller angebotenen Motor-Controller zu verwenden und die vorhandenen Schnittstellen in unsere Elektronik zu implementieren. Dank des industriell gefertigten Controllers erhalten wir im Bereich der Motoransteuerung eine erhöhte Ausfallsicherheit.
Anhand von Herstellerinformationen konnten wir dem Motor-Controller weitere Funktionen entlocken, so zum Beispiel greift unsere Elektronik auf den standardmäßig deaktivierten Rückwärtsgang oder die Rekuperation zurück.

Energiewirtschaft - Technisch

Zunächst schauen wir auf unser Jugend forscht Projekt von 2008, den Hybrid - Brennstoffzellen - Roller. Die Brennstoffzelle speist bei Energieüberschuss die Lithium-Polymer-Akkus, beim Beschleunigen wird die Energie von beiden Quellen für den Motor bereitgestellt.
Durch das Multi-Quellen-System des Pentavelos standen wir vor neuen Herausforderungen. Es gibt viele Möglichkeiten, die Energiequellen zu verwenden und zu verwalten, so kann der benötigte Strom zum Beschleunigen ausschließlich oder anteilig von bestimmten Quellen zu Verfügung gestellt werden.
Wir entschieden uns allerdings für eine flexiblere und erweiterbare Implementierung, angefangen bei den Solarzellen, welche orts-, zeit- und wetterabhängig Energie liefern. Hier ergibt es nur wenig Sinn, die Solarzellen direkt an den Motor zu koppeln. Da möglichst viel der vorhandenen Energie genutzt werden soll, ist hier eine Zwischenspeicherung sinnvoll. Ähnlich verhält es sich für die Rekuperation, bei der Bremsenergie in Teilen in elektrische Energie umgewandelt wird.
Eine weitere Energiequelle erfordert etwas Eigeninitiative. Durch Muskelarbeit wird ein Generator angetrieben, welcher mechanische in elektrische Energie umwandelt und anwenderspezifisch im Schwierigkeitsgrad geändert werden kann. Dieser agiert unabhängig von der aktuellen Motorlast.
Somit liegt es nahe, zwischen Erzeuger und Verbraucher einen Akku zu schalten, der jederzeit Energie zwischenspeichern oder bei Bedarf abgeben kann.
Um unterwegs ohne ein Stromnetz "tanken" zu können, nutzen wir als weitere Energiequelle eine Brennstoffzelle.
Das Herzstück der Energieversorgung ist ein Hochleistungs-Lithium-Ion-Mangan-Akku, der über die Steckdose geladen werden kann. Die Dauer des Ladens von 0 % auf 80 % beträgt etwa 1h 30min. Es ist möglich, bevorzugte Ladezeiten und Ladezustände vorzugeben, um beispielsweise günstigen und umweltfreundlicheren “Nachtstrom” zu tanken. Unabhängig davon wird der Strom aller Energiequellen im Akku zwischengespeichert, dies erlaubt eine kontinuierliche und lastunabhängige Speicherung bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung.

 

Energiewirtschaft - Anwenderbezogen

Matlab Simulation


[5]
Die Wahl der Energiequellen erfolgt durch Interaktion zwischen Elektronik und Benutzer. Dieser kann (z.B. gestützt durch ein Navigationssystem) die Entfernung des Ziels vorgeben und das Fahrzeug versucht, die zur Verfügung stehenden Energiequellen optimal einzusetzen. Sonnenenergie und Muskelenergie wird hier bevorzugt verwendet, diese werden von der gespeicherten Energie des Akkus unterstützt. Die Elektronik berechnet die maximale Reichweite aus dem Stromverbrauch vorheriger Fahrten, aktueller Uhrzeit und Wetter (bezogen auf die Solarzellen) sowie aus aktuellen Verbrauchsmessungen. Falls die gewünschte Entfernung mit der vorhandenen Energie nicht zu erreichen ist, rät die Elektronik zu einem Zwischenstopp, Hinzuschalten der Brennstoffzelle oder zu sparsameren Fahren.
Aus vorhandenen Kennlinien der Elektronik, den Fahrzeugdaten wie Luftwiderstand, Rollwiderstand und Stromverbrauch von Peripherie berechnet das Pentavelo die optimale Reisegeschwindigkeit für eine effiziente und sparsame Fahrt, die dem Benutzer vorgeschlagen wird.

 

Features

Im Rahmen unserer Entwicklung sind uns einige Dinge eingefallen, die wir gerne in unserer Elektronik umsetzen wollten, hier folgen einige der ausgefalleneren Neuerungen:

Belohnsystem

Erneuerbare Energien zu nutzen kann Spaß machen, besonders wenn es Anreize für deren Nutzung gibt. In unserem Fall wird der Fahrer durch mehr Fahrleistung belohnt, wenn er Solarenergie oder Muskelenergie nutzt. Dazu erhält vereinfacht ausgedrückt jede Energiequelle bis auf den Akku einen (weitestgehend) frei wählbaren Multiplikator, der auf die erbrachte Leistung der einzelnen Quelle eine zusätzliche Leistung anrechnet10 , die dann von dem Akku zusätzlich zur Verfügung gestellt wird. Die dem Motor zugeführte Energie berechnet sich dann durch den Ausschlag des Gaspedals (anstelle des Gasgriffes lassen sich ebenfalls die Pedale nutzen), der zwischen 0 und 1 liegt und auf die Summe der Akkugrundleistung und der restlichen Energiequellen mitsamt des Multiplikators angerechnet wird. Benutzt man im Beispiel nur Akku und Pedale, während der Multiplikator der Pedale bei 2 liegt, sowie die durch die Pedale erbrachte Leistung bei 50 Watt bei einem Akkugrundleistungswert von 300 Watt, werden bei 75 % Gasgriffausschlag bereits 300 Watt an den Motor weitergegeben. Dies soll den Fahrer dazu motivieren, mehr Eigeninitiative zu erbringen und Quellen abseits des Akkus mehr zu nutzen. Wie hier geschildert, lassen sich die einzelnen Energiequellen sehr frei an die Motorleistung koppeln, dies ermöglicht z.B. auch ein Aufladen des Akkus durch Trampeln vor einer Ampel.

Diagramm zum Energiesystem

RFID-Schlüsselsystem

Um Diebstahl in Zukunft verhindern zu können und anwenderspezifisch Rechte einzustellen haben wir uns ein RFID-System überlegt, welches dem eigentlichen Fahrzeugschlüssel die Bedeutung nimmt. Dazu haben wir uns überlegt, dass der mechanisch funktionierende Fahrzeugschlüssel nur zum Öffnen der für die Außenhülle geplanten Türen und zum Einschalten des RFID-Kartenlesegerätes Anwendung finden soll, während das Lesegerät die eigentlichen Berechtigungen des Fahrers ausliest. Dazu haben wir 3 verschiedene RFID-Karten, die als solche jeweils von dem Lesegerät unterschieden werden können. Das RFID-Lesegerät informiert dann im weiteren Schritt den Mikrocontroller, ob und welche der Karten erkannt wird. Über diese Information kann der Mikrocontroller abhängig von der vorhandenen Karte eine Maximalgeschwindigkeit und Motorleistung festlegen. Bei Präsentationen oder Testfahrten lässt sich so die zulässige Geschwindigkeit z.B. für unautorisierte Anwender auf 10 reduzieren, während die anderen Karten jeweils die Fahrzeuggeschwindigkeit auf zulassungsspezifische Geschwindigkeiten drosseln können.

Auswertungen und Messungen

Simulationen und Messungen

Im Vorfeld zum Bau des Fahrzeuges haben wir eine bezogen auf Wirkungsgrad, Geschwindigkeit, Drehmoment, Verbrauch und Beschleunigung ausgelegte Simulation erstellt. In Bezug auf die Luftwiderstandsberechnungen sind diese jedoch bisher relativ ungenau, da wir Querschnittsfläche und den Luftwiderstandsbeiwert nur schätzen können. Eine Schnittstelle vom Fahrzeug zu einem Laptop, der während der Fahrt Daten aufzeichnen kann ist eingeplant, bisher jedoch noch nicht in nutzbarer Form implementiert, so dass wir hier bisher noch keine Messungen vornehmen konnten.

 

Mögliche Optimierungen

Bezogen auf die Fahrzeugkonstruktion haben wir mittlerweile einige Erfahrungen bezüglich der Planung und des Aufbaus gemacht. So war unser Ansatz, das Fahrgestell zunächst vollständig auf eine Schablone zu befestigen nicht der Beste, wie wir in der Schlosserei erfahren mussten. Mittlerweile würden wir die Radaufhängungen geringfügig anders planen.
Bezogen auf die Geschwindigkeit ließe sich diese nochmals deutlich erhöhen, wenn wir anstelle unserer 20“-Räder 26“-Räder beim Antriebsrad verwenden würden 11 und anstatt unserer 2 Akkupakete 3 verwenden würden12 . Rein rechnerisch könnte ein solches Fahrzeug Geschwindigkeiten von knapp 140 erreichen, was uns Sicherheitstechnisch mit unseren Erfahrungen als Konstrukteure bisher als zu waghalsig erscheint. Eine weitere Verbesserung des Fahrzeuges ließe sich durch die eingeplante aber bisher noch nicht umgesetzte Verschalung erreichen. Gegebenenfalls wäre sogar eine Verwendung von 2 Motoren denkbar, womit die mögliche Höchstgeschwindigkeit und Beschleunigung nochmals anwachsen könnte, hier drängt sich bei einem 1-Personenfahrzeug allerdings die Frage nach dem erzielten Nutzen deutlich auf.
Bezogen auf die Stromversorgung durch die Brennstoffzelle wären Flaschen mit einer höheren Kapazität wesentlich sinnvoller, da die Implementierung eines solchen Energiesystems sich gewichtsmäßig eher rentiert, wenn es sinnvoll genutzt werden kann.

 

Vor und Nachteile des Konzeptes/Perspektiven

Aus ökologischer Sichtweise

Die Nachteile unserer Entwicklung liegen zur Zeit in der fraglichen Perspektiven der Brennstoffzellentechnologie. Die Speichermöglichkeiten von Wasserstoff benötigen zu einer schnelleren Verbreitung dieser Technologie noch einiges an Grundlagenforschung. Da Wasserstoff bisher nach wie vor in den meisten Fällen durch Prozesse hergestellt wird, die ebenfalls Kohlendioxid erzeugen, fällt es derzeit noch schwer Wasserstoff als erneuerbare Energie anzusehen. Durch zukünftige Wasserstoff-Infrastruktur ist es möglich, unterwegs Wasserstoff nachzutanken.
Durch die Kombination mehrerer Energiequellen ist der Bedarf an die Speichergröße des Akkus deutlich geringer, wodurch bei der Herstellung weniger Schwermetalle freigesetzt werden würden, als in einem Fahrzeug, dass nur mit Hilfe von Akkus betrieben wird.
Heutige Pkws bieten die Möglichkeit, deutlich mehr Personen zu transportieren, als dies in der Realität passiert, dies ist hochgradig unökonomisch. Durch die auf einen Benutzer ausgelegte Bauweise können Fahrzeuggewicht und Verbrauch deutlich reduziert werden.

Anwenderbezogen

Mit dem derzeitigen Fahrzeug ist damit zu rechnen, dass der Anspruch vieler Anwender auf die erreichbare Geschwindigkeit nicht erfüllt wird. Wie bereits oben geschildert, ließe sich diese jedoch durch nicht allzu signifikante Änderungen in einen für die meisten Autofahrer akzeptablen Bereich bringen. Mit größeren Änderungsmaßnahmen wären sogar Mehrpersonenfahrzeuge bis hin zu Transportern, basierend auf unserem Konzept denkbar.
Sollte eine Wasserstoff-Infrastruktur in Zukunft ausgebaut sein, wobei wir an dieser Stelle von den in der Befüllung zeitaufwändigeren Metall-Hydrid-Speichern sprechen, so wäre es denkbar, dass der Anwender über eine Art Pfandsystem leere Wasserstoffflaschen bequem an einer entsprechenden Auffüllstation gegen befüllte Kartuschen umtauschen kann.
Unsere bisherigen Bemühungen zur Implementierung einer Klimaanlage waren bisher leider eher dürftig, dieser Luxus ließe sich technisch gesehen ebenfalls in einem bauähnlichen Fahrzeug implementieren. Die Verwendung mehrerer unabhängiger Energiequellen in einem Fahrzeug sorgt zukunftsbezogen für mehr Sicherheit, wenn eine einzelne der verwendeten Technologien vom Markt verdrängt wird.
Die Verwendung unseres RFID-Schlüsselsystems erlaubt selbst die Nutzung des Fahrzeuges durch Personen, die keinen Führerschein besitzen. Mit den wachsenden Fähigkeiten und Befugnissen des Fahrers können also die Fähigkeiten des Fahrzeuges mitwachsen.
Unsere Akkus haben derzeit noch den Nachteil, dass die Ladezeit bei unserem Netzteil über die Steckdose von 0 % auf 80 % 1h 30min beträgt. Bei einem entsprechend leistungsfähigeren Stromanschluss, Netzteil und ausreichender Akku-Kühlung ließe sich die Ladezeit jedoch auf nur ~10min verkürzen.

Danksagung

Wir danken der Stadt Hilden und dem Helmholtz-Gymnasium für die Bereitstellung der notwendigen Mittel und Räumlichkeiten, sowie unserem Schulsponsor 3M, der uns über die finanzielle Unterstützung hinaus mit fachlichem Rat zur Seite stand.
Ein weiterer Dank geht an die Schlosserei Bernd Heinemann[ 4], in deren Werkstatt wir das WIG-Schweißgerät für den Stahlrahmen verwenden durften, sowie für die Einführung ins Schweißen durch den Geschäftsführer Thomas Schramm.
Alles andere als selbstverständlich war auch die Herstellung der CNC-Teile, die wir Oliver Füllgrabe[3], sowie der Firma R&W zu verdanken haben.
Abschließend gilt unser Dank unserem projektbetreuenden Lehrer Herr Dr. Johann Pleschinger, der die AG seit Herbst 2002 leitet und sich für sämtliche Projekte der AG eingesetzt hat. Ohne ihn wäre die Bewältigung und Finanzierung dieses Projektes in der kurzen Zeit kaum denkbar gewesen.

Literatur und Quellen

Unterkategorien

Get a better hosting deal with a hostgator coupon or play poker on party poker

Facebook

Translate with Google

Impressum

Copyright 2011 Offene Dokumentation (beta). Mats Marcus
Joomla Templates by Wordpress themes free