Technische Spezifikationen

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Kategorie: Offene Dokumentation
Veröffentlichungsdatum Geschrieben von Mats Marcus

 

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.

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