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Ausgewählte Ausgabe: 09-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Konzept zum Bau eines erfolgreichen Elektrorennwagens

Präsentiert wird ein Ansatz zum Bau eines Elektrorennwagens für die Formula Student Electric. Neben einem Überblick über das Konzept des Fahrzeugs werden die technischen Anforderungen beschrieben, um hohe Beschleunigungen und gutes Fahrzeughandling zu erreichen. Besonders eingegangen wird auf die Herausforderung, die das Laserschweißen von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen der Lithiumionenbatterien darstellt. Durch hochdynamische Strahlablenkung konnte die Entstehung spröder intermetallischer Phasen zwischen Aluminium und Kupfer bei zugleich ausreichendem Anbindungsquerschnitt vermieden werden.


Um eine hohe Systemspannung zu generieren, müssen zahlreiche Lithium-Ionen-Batterien in Reihe geschaltet werden. Das Batteriekonzept sieht einen Entladestrom bis zum 12-fachen der Kapazität in Ampere sowie 500 Ladezyklen vor. Um die Versiegelung der Batterien nicht zu beschädigen, muss die thermische Belastung während des Laserschweißens begrenzt werden. Außerdem ist Spritzerbildung zu vermeiden, um keinen elektrischen Kurzschluss zu verursachen. Die Bildung intermetallischer Phasen zwischen Kupfer und Aluminium ist zu unterdrücken, um gute mechanische Eigenschaften und Vibrationsbeständigkeit zu erzielen. Dazu wird eine hochdynamische Schweißstrategie mit Strahlablenkung bei ausreichender Stromtragfähigkeit des Nahtquerschnitts verwendet.

Herausforderung unter Studenten

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Bild 1.
Schematische Darstellung des Aufbaus des „KIT17e“ für einen Elektrorennwagen.

Die „Formula Student“ ist ein herausfordernder Wettbewerb unter Studenten vorwiegend aus Ingenieurstudiengängen und wird in Deutschland vom VDI Verein Deutscher Ingenieure organisiert. 2016 beteiligten sich 38 Teams an den Wettbewerben der „Formula Student Germany Electric“. „KA-RaceIng“ wurde 2006 am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) gegründet. Bisher baute das Team sieben Elektrorennwagen. Für das aktuelle Modell „KIT17e“, Bild 1, stand eine Entwicklungszeit von nur fünf Monaten zur Verfügung. Zunächst stehen Konzept- und Designstudien an, bevor die Fertigung und die Testphase vor den ersten Wettkämpfen folgen.
Während der Wettbewerbe müssen die Teams Profis aus der Automobilindustrie in verschiedenen Disziplinen überzeugen. Dazu gehören das „Engineering Design“, in welchem das Konzept, herausragende Entwicklungsdetails und innovative Lösungen präsentiert werden. Im „Cost Analysis“ wird die Herstellbarkeit des Entwurfs begutachtet. Beim „Business Plan“ wird ein fiktives Geschäftsmodell vorgestellt, welches potentielle Investoren davon überzeugen soll, den vorgestellten Prototypen profitabel als Kleinserie fertigen zu können.
Da an den Rennwagen hohe Anforderungen hinsichtlich Beschleunigung und Zuverlässigkeit gestellt werden, sind praktische Wertungen wie „Acceleration” (eine Gerade von 75 m), ein achtförmiger „Skid Pad“ zur Beurteilung des Handlings und der Fahrzeugdynamik bei Kurvenfahrten sowie das „Autocross Event” (das Fahrzeug muss über einen 800 m langen, mit verschiedenen Schikanen gespickten Kurs gesteuert werden) zu absolvieren. Beim Langstreckentest müssen die Fahrzeuge ihre Zuverlässigkeit über circa 22 km beweisen. Zudem wird der Energieverbrauch zur Bewertung der Effizienz gemessen. Die Limitierungen des elektrischen Antriebsstrangs sind in [1] niedergelegt. Darin sind eine Maximalspannung von 600 VDC und eine maximale Leistung von 80 kW als hauptsächlich begrenzende Faktoren festgelegt.

Design und Werkstoffe

Aufgrund der Erstplatzierung im Jahr 2016 wurde die Entscheidung getroffen, für den Elektrorennwagen 2017 eine verbesserte Version hinsichtlich des mechanischen und elektrischen Konzepts zu bauen, das grundlegende Konzept aber beizubehalten. Die Entwicklungshistorie der Rennwagen kann auf der Homepage von KA-RaceIng e.V. nachgelesen werden [2]. Die Testphase konnte deutlich verlängert und ein ausgereiftes, zuverlässiges Fahrzeug präsentiert werden. Zusätzliche Validierungstests der einzelnen Komponenten während der Fertigung lieferten wertvolle Erkenntnisse für das Design der nächsten Generation.

 Batterie, E-Motor und Dual-X-Drive

Die beiden hauptsächlich technischen Parameter der Formula Student Electric sind eine Maximalspannung von 600 VDC und die Maximalleistung von 80 KW. Daher ist ein gutes spezifisches Leistungsgewicht des Fahrzeugs ausschlaggebend. Die in der vergangenen Saison gewonnenen Daten werden analysiert, um Zielkonflikte zu lösen. Dies betrifft besonders die Festlegung des verwendeten Li-Ionen-Zelltyps.

Seite des Artikels
Autoren

Dr. Thomas Gietzelt

Jahrgang  1967,  ist  seit  2002 Gruppenleiter  am  Institut  für  Mikroverfahrenstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

 Torsten Wunsch

Jahrgang 1981, arbeitet als technischer Angestellter am KIT.

 Florian Messerschmidt

Jahrgang 1979, arbeitet als technischer Angestellter am KIT.

 Felix Sanke

Jahrgang 1996, studiert Maschinenbau am KIT. Seit 2016 ist er Mitglied des Teams Ka-RaceIng und für  die  Saison  2017  zuständig  für  die  Leistungselektronik im aktuellen Fahrzeug.

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