Elektrische Fahrzeugantrieb Sparen beim Rasen

Verbrennungsmotor und Tank raus, Elektromotor nebst Akkus rein - leider funktioniert der Weg zur Elektromobilität nicht so einfach. An die Sensorik und das Energiemanagement werden besondere Anforderungen gestellt, aber auch viele andere Systeme müssen ganz neu konzipiert werden.

Dass ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ganz anders funktionieren muss als ein vom Verbrennungsmotor getriebenes, demonstriert man beim Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen ausgerechnet anhand eines Rennwagens. Der Elektro-Rennbolide »EVE« (siehe Bild) beschleunigt von Null auf 100 km/h in 3,6 s. Er wird von zwei Elektromotoren, je einer pro Hinterrad, angetrieben.

Bei einer maximalen Leistung von 60 kW bringen sie den E-Flitzer mit 4500 Umdrehungen pro Minute auf Touren. Der Sprinter erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 140 km/h. Zwei Lithium-Polymer-Batterien mit einer Kapazität von insgesamt 8 kWh ermöglichen eine Reichweite von 22 km. Elektrotechnikstudenten vom »E-Rennstall« der Hochschule Esslingen haben das 300 kg schwere Auto neben ihrem Studium konstruiert. Sie sind damit bereits beim internationalen »Formula-Student-Electric«-Wettbewerb in Italien gestartet.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS haben die komplette Stromsensorik in enger Kooperation mit Seuffer entwickelt. Jenes unterstützt die Studenten vom Team »E.Stall«.

Sensoren

Neben Rädern, Bremsen, Dämpfereinheit, Batterien und Elektromotoren ist EVE mit zahlreichen Sensoren ausgerüstet: Dazu gehören Bremsdruck-, Crash-, Temperatur-, Beschleunigungs-, Gaspedal-, Bremspedal-, Geschwindigkeits-, Lenk-winkel-, Raddrehzahl- und Stromsensoren. Die letzteren sechs könnten zum Beispiel alle mit den »HallinOne«-Sensoren des IIS realisiert werden - einem 3D-Magnetfeldsensor, der unter anderem bereits serienmäßig in Waschmaschinen verbaut ist, um dort die Position und Lage der Wäschetrommel zu bestimmen.

Die beiden seitlich der Batterien angebrachten Stromsensoren nutzen die 3D-Magnetfeldsensortechnik des IIS, um das vom elektrischen Stromfluss erzeugte Magnetfeld zu messen und so den Ladezustand des Akkus zu ermitteln. Das Besondere: Die Sensoren messen berührungslos den Strom, der von der Batterie zum Motor fließt und beim Bremsvorgang vom Motor zur Batterie zurückströmt.

Die integrierte Sensorik erlaubt es, Störungen und Fremdmagnetfelder zu eliminieren, sodass eine hohe Messgenauigkeit garantiert ist. Ein weiterer Vorteil: Neben dem Strom lassen sich auch Größen wie Spannung und Temperatur der Batterie erfassen. Die ermittelten Werte werden an die PCU (Power Control Unit) und das BMS (Batteriemanagementsystem) übertragen, das die Lade- und Entladevorgänge kontrolliert.

Akkus unter Beobachtung

Limitierender Faktor aller Elektrofahrzeuge sind die kurzen Batterielaufzeiten und die begrenzte Lebensdauer der Akkus. Das Batteriemanagementsystem des Fraunhofer IIS adressiert dieses Problem, indem es das Impedanzspektrum aller Batteriezellen ermittelt und permanent deren Funktionsfähigkeit prüft. So lassen sich Aussagen über den Gesundheitszustand, die aktuelle Kapazität oder die potenzielle Lebensdauer der Zelle machen und genauere Laufzeitvorhersagen treffen.

Durch Alterung können die einzelnen Batteriezellen mit der Zeit weniger Energie speichern. Die Herausforderung liegt darin, die Nutzung der Zellen zu optimieren. Im Allgemeinen kann einem Batteriesystem nur so viel Energie entnommen werden, wie in der schwächsten Zelle vorhanden ist. Die Mehrenergie der anderen Zellen bliebe ungenutzt. Das Fraunhofer-BMS verfügt über eine aktive Zellsymmetrierung, mit der sich Energie zwischen stärkeren und schwächeren Zellen transportieren lässt. So werden alle Zellen gleichmäßig belastet, und die maximale Kapazität des gesamten Akkublocks steht zur Verfügung. Durch das aktive Ausbalancieren der Zellen während des Lade- und Entladevorgangs lassen sich prinzipiell Lebensdauer und Reichweite des Akkus vergrößern.

Neue Materialien

EVE verfügt über kompakte Außenmaße, einen Stahl-Gitterrohrrahmen und eine Karosserie aus Karbon. Da auf der Piste hohe Belastungen auf die Kunststoff-fasern wirken, können winzige Risse im Material auftreten. Um die Schäden frühzeitig zu erkennen, misst eine vom IIS entwickelte Polarisationskamera Spannungen in der Karbonstruktur (nicht lackierte Flächen).

»POLKA« heißt die handliche Kamera, welche die Kratzer sichtbar macht. Sie registriert Eigenschaften des Lichts, die dem menschlichen Auge verborgen bleibt - die Polarisation. Bei Materialspannungen im Kunststoff ändern sich die Polarisationseigenschaften. POLKA bestimmt die gesamte Polarisationsinformation mit einer einzigen Aufnahme und einer Geschwindigkeit von bis zu 250 Bildern pro Sekunde pixelgenau. Die zugehörige Software übersetzt die gewonnenen Informationen über Intensität, Winkel und Grad der Polarisation durch eine Online-Farbcodierung in eine für das menschliche Auge geeignete Darstellung.