Das straßenzugelassene Erprobungsfahrzeug IISB-One bei einer Testfahrt im Nürnberger Stadtverkehr.
Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Der Elektrosportwagen "IISB-One" ist ein für Anpassungen offenes Erprobungsfahrzeug mit Straßenzulassung für leistungselektronische Fahrzeugkomponenten. Angetrieben wird der Technikträger von zwei mechanisch unabhängigen Einzelradantrieben mit integriertem Doppelumrichter. Pro Rad steht eine Antriebsleistung von 80 kW zur Verfügung.
Seit über zehn Jahren entwickelt das Erlanger Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB leistungselektronische Komponenten für batterie- und hybridelektrische Fahrzeuge. Das Portfolio umfasst elektrische Antriebssysteme, integrierte Umrichter, isolierende und nicht-isolierende DC/DC-Wandler sowie Ladegeräte und Batteriespeichersysteme. Um diese Komponenten im Verbund und unter Praxisbedingungen erproben zu können, wurde nun das Erprobungs- und Demonstrationsfahrzeug IISB-One vorgestellt. Das Fahrzeug basiert auf einem Chassis der früheren Firma Artega und ist ausschließlich mit IISB-Komponenten ausgestattet. Diese wurden in verschiedenen Forschungsprojekten und in Kooperationsprojekten mit der Automobilindustrie entwickelt.
Durch umfangreiche Komponenten- und Fahrzeugtests sowie die Einhaltung relevanter Normen und Vorschriften konnte das Projektziel einer Straßenzulassung des IISB-One erreicht werden, wie es aus Erlangen heißt. Ziel war, nicht einfach ein funktionsfähiges Fahrzeug zu bauen, sondern darüber hinaus eine flexible alltagstaugliche Forschungsplattform zu schaffen. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IISB wollen die gewonnenen Erkenntnisse nutzen, um die vorhandene Systemkompetenz auf dem Gebiet leistungselektronischer Fahrzeugkomponenten und Batteriesysteme für E-Fahrzeuge weiter auszubauen.
Elektrisches Antriebssystem
Der im Fahrzeug installierte integrierte Traktionsantrieb wurde vom Fraunhofer IISB im Rahmen des BMBF-geförderten Verbundforschungsprojekts FSEM realisiert. Das System verfügt über zwei mechanisch unabhängige Einzelradantriebe mit integriertem Doppelumrichter und eine separate feldorientierte Regelung der beiden E-Maschinen, erklären die Forscher. Damit sei eine freie Drehmomentverteilung auf beide Antriebsräder der Achse möglich. Insgesamt stehen Angaben zufolge pro Rad eine Antriebsleistung von 80 kW sowie ein Spitzendrehmoment von 2000 Nm zur Verfügung. Die in den Antrieb vollständig integrierte Leistungselektronik senke sowohl den Platzbedarf als auch die Kosten und führe zu einem deutlich verbesserten EMV-Verhalten. Die Leistungselektronik nutzte erstmals neuartige intelligente Umrichterbausteine. Diese sollen viele konzeptionelle Schwächen heutiger Leistungsmodule beseitigen.
Energiespeicherung, Energieverteilung
Das Hochvolt-Bordnetz des IISB-One folgt dem Ansatz des Instituts einer flexiblen, intelligenten und sicheren Energiebereitstellung in Elektrofahrzeugen. Herzstück sei hierbei ein auf Lithium-Ionen-Zellen basierendes Batteriesystem mit 355 V Nennspannung. Das am Institut entwickelte integrierte Batteriemanagement soll einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten. Der modulare interne Systemaufbau ermögliche eine Adaption des Energiespeichers an unterschiedlichste Leistungs-, Energie- und Fahrzeugklassen.
Ein Gleichspannungswandler mit 3,5 kW ersetzte die klassische Lichtmaschine im Auto und versorge das 12 V-Bordnetz berührsicher aus der Hochvolt-Batterie. Ein nicht-isolierender Hochleistungs-Gleichspannungswandler stelle dem Antriebssystem in Abhängigkeit vom Fahrzustand stets die optimale Betriebsspannung zur Verfügung. Das System ist auch offen für die zukünftige Einbindung eines weiteren Energiespeichers, egal ob es sich beispielsweise um eine Zusatzbatterie oder eine Brennstoffzelle handelt, betonen die Entwickler.
Universelle Lademöglichkeiten
Zudem ist der IISB-One für den Test und die Demonstration verschiedenster kontaktloser und kabelgebundener Ladetechniken vorbreitet. Ein in den Energiespeicher integriertes proprietäres AC-Ladegerät ermögliche ein flexibles „Tanken“ sowohl an öffentlichen Ladestationen als auch an jeder beliebigen Steckdose mit bis zu 3,7 kW. Über den integrierten Hochleistungs- Gleichspannungswandler werde zusätzlich eine DC-Schnelladefunktion an kostengünstigen, da ungeregelten Gleichspannungs-Ladestationen bereitgestellt.
Darüber hinaus verfügt der Technikträger über ein induktives Ladesystem an der Fahrzeugfront, mit dem ein kontaktloses Laden mit bis zu 3,5 kW ermöglicht werden soll. Das System zeichne sich durch hohen Nutzerkomfort, hohe Positionstoleranz, geringe Kosten, hohe Sicherheit und einen hohen Ladewirkungsgrad von bis zu 97 Prozent bei einem Gewicht von 3 kg aus.
Flexibles Fahrzeugsteuerungskonzept
Die Integration von Subsystemen zu einem zuverlässig funktionierenden Fahrzeug stellt aufgrund der Varianz der verfügbaren Kommunikations-Schnittstellen und Protokolle eine echte Herausforderung dar, betonen die Erlanger. Aus diesem Grund sei eine anpassungsfähige Fahrzeugsteuerung entwickelt worden, die eine einfache kommunikative Verknüpfung verschiedenster (Prototypen-)Systeme zu einem Gesamt-Fahrzeug ermöglicht. Eine zusätzliche Software-Abstraktionsschicht mache hierbei die einzelnen Steuergeräte für den Anwender handhabbar. Die Fahrzeugsteuerung koordiniere und überwache die Antriebstrang- und Energiespeicher-Systeme und gewährleiste jederzeit einen sicheren Fahrzeug-Betriebszustand.