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29.04.2013 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Fraunhofer IIS-Forscher entwickeln Stromsensorik für Elektro-Rennboliden Eve

Autor:
Katrin Pudenz

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen haben für den Elektrorennwagen Eve die Stromsensorik in enger Kooperation mit dem Unternehmen Seuffer entwickelt.

Eve kann in 3,6 s von Null auf 100 km/ beschleunigen. Angetrieben wird das Fahrzeug von zwei Elektromotoren; je einer pro Hinterrad. Bei einer maximalen Leistung von 60 kW bringen sie den E-Sportler mit 4500/min auf Touren. Der Rennwagen erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 140 km/h. Zwei Lithium-Polymer-Batterien mit einer Kapazität von insgesamt 8 Kilowatt pro Stunde (kWh) ermöglichen eine Reichweite von 22 Kilometer. Elektrotechnikstudenten vom E-Rennstall der Hochschule Esslingen haben das 300 kg schwere Auto neben ihrem Studium konstruiert. Sie sind damit beim internationalen Formula-Student-Electric-Wettbewerb in Italien gestartet. Vom 14. bis 16. Mai 2013 wird der Bolide auf der Messe Sensor + Test in Nürnberg am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand präsentiert.

Neben Rädern, Bremsen, Dämpfereinheit, Batterien und Elektromotoren ist Eve mit zahlreichen Sensoren ausgerüstet: dazu gehören Bremsdruck-, Crash-, Temperatur-, Beschleunigungs-, Gaspedal-, Bremspedal-, Geschwindigkeits-, Lenkwinkel-, Raddrehzahl- und Stromsensoren. Die letzten sechs Sensoren könnten beispielsweise alle mit den Hallin-One-Sensoren des IIS realisiert werden, wie die Experten des Fraunhofer-Instituts erklären. Dabei handele es sich um einem 3D-Magnetfeldsensor, der unter anderem bereits serienmäßig in Waschmaschinen verbaut ist, um dort die Position und Lage der Wäschetrommel zu bestimmen.

Stromsensoren ermitteln Batterie-Ladezustand

Die beiden seitlich der Batterien angebrachten Stromsensoren nutzen die 3D-Magnetfeldsensor-Technik vom IIS, um das vom elektrischen Stromfluss erzeugte Magnetfeld zu messen und so den Ladezustand des Akkus zu ermitteln. Die Sensoren messen, wie die IIS-Wissenschaftler erläutern, berührungslos den Strom, der von der Batterie zum Motor fließt und beim Bremsvorgang vom Motor zur Batterie zurückströmt. Die integrierte Sensorik erlaube es, Störungen und Fremdmagnetfelder zu eliminieren, sodass eine hohe Messgenauigkeit garantiert sei. Neben dem Strom sollen sich auch Größen wie Spannung und Temperatur der Batterie erfassen lassen. Die ermittelten Werte werden an die Power Control Unit (PCU) und das Batteriemanagementsystem (BMS) übertragen, das die Lade- und Endladevorgänge kontrolliert.

Batteriemanagementsystem verlängert Akkulaufzeit

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

Durch Alterung können die einzelnen Batteriezellen mit der Zeit weniger Energie speichern. "Bisher konnte einem Batteriesystem nur so viel Energie entnommen werden, wie in der schwächsten Zelle vorhanden ist. Die Energie der anderen Zellen blieb ungenutzt. Unser 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 kann verwendet werden", berichtet Dr.-Ing. Peter Spies, Gruppenleiter am IIS in Nürnberg. Durch die aktive Ausbalancierung der Zellen während des Lade- und Entladevorgangs lassen sich Lebensdauer und Reichweite des Akkus vergrößern. Das derzeit in Eve verbaute BMS sei jedoch eine Eigenentwicklung des Rennstalls 'E.Stall', dessen Studenten vom Unternehmen Seuffer gesponsert werden. Es ließe sich aber durch die IIS-Lösung ersetzen.

Polarisationskamera erkennt Risse in Karosserie

Eve verfügt über einen Stahl-Gitterrohrrahmen und eine Karosserie aus Carbon. Da auf der Piste hohe Belastungen auf die Kunststofffasern wirken, können winzige Risse im Material auftreten. Um die Schäden frühzeitig zu erkennen, misst eine vom IIS in Erlangen entwickelte Polarisationskamera Spannungen in der Carbonstruktur (nicht lackierte Flächen). Polka heißt die handliche Kamera, die die Kratzer sichtbar machen könne. Sie registriere Eigenschaften des Lichts, die dem menschlichen Auge verborgen blieben - die Polarisation. Bei Materialspannungen im Kunststoff ändern sich die Polarisationseigenschaften, erläutern die Forscher. Polka bestimme die gesamte Polarisationsinformation mit einer einzigen Aufnahme und einer Geschwindigkeit von bis zu 250 Bildern pro Sekunde pixelgenau. Die zugehörige Software übersetzte die gewonnenen Informationen über Intensität, Winkel und Grad der Polarisation durch eine online-Farbcodierung in eine für das menschliche Auge geeignete Darstellung.

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