Cluster Mechatronik & Automation

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16.01.2018

Effiziente elektrische Fahrzeuge von TU Fast Eco

Mit Leichtbau und elektrischem Antrieb zum Weltrekord

TUfast Eco ist ein Projekt des studentischen Vereins TUfast e.V. an der Technischen Universität München. Das Team hat im Rahmen des Shell Eco-Marathon Europe mehrjährige Erfahrung und mit stetig weiterentwickelten Prototypen bereits große Erfolge erzielen können. Im Rahmen des Wettbewerbs wird nach einer technischen Abnahme die Energieeffizienz der Fahrzeuge in Kilometern pro Kilowattstunde ermittelt. Hierfür muss ein mindestens 50 kg schwerer Fahrer/-in eine Distanz von 17,15 km in höchstens 43 Minuten zurücklegen, also mit einer minimalen Durchschnittsgeschwindigkeit von 25 km/h. 2016 schaffte das Team den Guiness Weltrekord für das effizienteste elektrische Fahrzeug.

Nach der Erstteilnahme am Shell Eco-Marathon Europe im Mai 2011 wurde ein brennstoffzellenbetriebener Prototyp HTU11 auf Lithium-Polymer Akkumulator umgerüstet und in nahezu allen Bereichen optimiert. Mit Blick auf die Energieeffizienz setzten wir schon bei unserem ersten Fahrzeug auf konsequenten Leichtbau, der sich zum Beispiel im Monocoque aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) widerspiegelt. Dies ermöglichte ein Gesamtgewicht des fahrbereiten Fahrzeugs von nur 26 kg. Als erweiterte Energiespeicher wurden Silizium-Solar-Module in die Fahrzeugkontur integriert, die die Reichweite vergrößerten und gleichzeitig die benötigte Kapazität des Lithium-Polymer Akkumulators reduzierten, sodass deren zusätzliches Gewicht durch den kleineren Akku nahezu kompensiert wurde.

Um Reibungsverluste zu minimieren, bewegte sich auch unsere eLi14, die am 7. November 2013 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde, auf lediglich drei Rädern. Wie bereits bei eLi12 wurde der Prototyp über das hintere Rad gelenkt. Der Fahrer nahm im Fahrzeug eine liegende Position ein, um so die aerodynamisch optimierte Formgebung des neuentwickelten Chassis zu ermöglichen. Eine gute Rundumsicht war durch mehrere Plexiglas-Scheiben und die zusätzlich verbaute Rückfahrkamera trotzdem gewährleistet. Statt wie bei eLi12 jedoch auf ein einteiliges, selbsttragendes Monocoque zu setzen, wurde das Chassis geteilt und die gelenkte Hinterachs-Schwinge über eine Strebenkonstruktion mit ausgefeilter Lenkkinematik angebunden. Die Vorderachse wurde variabel in Spur und Sturz gestaltet, sodass der Rollwiderstand auch durch Optimierung der Vorderachsgeometrie reduziert werden konnte. Die abnehmbaren Vorder- und Hinterbauverkleidungen ermöglichten eine einfache Zugänglichkeit der Fahrwerks- und Antriebskomponenten. Angetrieben wurde das Fahrzeug weiterhin mit einer hocheffizienten permanenterregten Synchronmaschine, die erstmals von einer selbst entwickelten Leistungselektronik angesteuert wurde. Zur Kraftübertragung diente ein Kettentrieb mit Freilauf, um bei Wettbewerben mit zu absolvierenden Höhendifferenzen Energie einsparen zu können. Als Energiequelle kam ein Lithium-Polymer Akkumulator mit reduzierter Kapazität zum Einsatz, dessen Reichweite durch die Einspeisung von Energie aus Silizium-Solarmodulen vergrößert wurde.

Weltrekord 2016
Am 16. Juli 2016 absolvierte unser Team einen offiziellen Guinness Weltrekordversuch und konnte mit eLi14 eine neue absolute Effizienzbestmarke setzen. Für den Weltrekord wurde eLi14 basierend auf Erfahrungen späterer Jahre aufgerüstet. So wurde unser eigens entwickelter Motorregler zusammen mit optimierten Magneten und Silberdrahtwicklung für reduzierte Verluste eingesetzt. Der Anfahrtsvorgang und die Geschwindigkeitsverläufe wurden vorab simuliert und im Fahrwerk wurden neue Felgen und extrem leichtläufigen Lager montiert. Zusätzlich wurde ein aerodynamisch optimierter Deckel ohne die ursprünglich installierten Solarzellen gefertigt. Das Ergebnis: 1232 km/kWh. Dies entspricht 10956 km pro Liter Super 95! Durch das Erreichen dieses Wertes darf sich das TUfast Eco Team nun offiziell Weltrekordhalter des „Effizientesten elektrischen Fahrzeugs“ nennen. Die Nachricht über das Auto, das umgerechnet mit einer Gallone Kraftstoff um den gesamten Globus fahren kann, erreichte ein weltweites Medienecho.

Effizienz trifft Alltagstauglichkeit
Nach mehreren Jahren, in denen das TUfast Eco Team erfolgreich in der Prototypen-Kategorie teilgenommen hatte, entschied sich das Team für eine neue Herausforderung. Nun sollte das erste alltagstaugliche Urban Concept in unter 10 Monaten entworfen, konstruiert und gebaut werden. Hierbei waren komplett neue Herangehensweisen und Techniken gefragt, die es jedoch auch ermöglichten, neue kreative Ideen die Konzepte einfließen zu lassen. Zu Beginn der Saison brannte das gesamte Team darauf, diese Herausforderung anzunehmen.

Die tragende Chassis-Struktur wurde zwar wieder aus Carbon gefertigt, aufgrund der kurzen Entwicklungszeit und der Größe der Bauteile wurde jedoch zum ersten Mal die sogenannte Infiltrationsmethode verwendet. Die Fahrgastzelle des fertigen Fahrzeugs besteht aus mehreren verklebten Einzelteilen, die sich durch eine spezielle 3DGeometrie zu einem Monocoque zusammenfügen. Ergänzt wird die tragende Struktur durch die Fahrwerksbox, die als einziges Prepreg- Bauteil die Anbindung für die Doppelquerlenker-Vorderachse und die Pedalerie darstellt. Auch Fahrwerk und Antrieb mussten von Grund auf neugestaltet werden. Neben der bereits erwähnten Vorderachse ist im Heck eine starre Verbundlenkerachse verbaut, die direkt an der Rückwand der Fahrgastzelle angebunden ist. Die Hinterräder sind jeweils über eine Hohlradverzahnung und ein ausgeklügeltes Kupplungssystem mit einem Motor verbunden, sodass muc017 insgesamt von zwei Synchronmaschinen angetrieben wird. Abgerundet wird das Fahrzeug durch Vorder- und Hinterabdeckung die als nichttragende Carbonteile gestaltet sind. Auch das Elektroniksystem ist durch neue Komponenten wie Scheibenwischer und Fahrzeugbeleuchtung deutlich komplexer als in den Vorjahren, um die geforderte Alltagstauglichkeit zu erfüllen. Insgesamt sind über 10 verschiedene, selbst entwickelte Platinen in teilweise mehrfacher Ausführung verbaut. Mit all diesen Komponenten stellt muc017 einen ersten Schritt in Richtung eines alltagstauglichen Fahrzeuges dar. Für das TUfast-eco Team ein Meilenstein für die Zukunft in der Urban Concept Klasse.



Autonomes Fahren – der nächste Schritt in die Zukunft!
Im neuen Jahr gehen wir noch einen Schritt weiter auf unserem Weg in die Mobilität von morgen: In der Saison 17/18 legen wir zusätzlich zum Thema Energieeffizienz auch den Fokus auf Autonomes Fahren. So arbeiten wir daran, ein überarbeitetes Fahrzeug muc018 auszuarbeiten und zu fertigen.  Hierfür wurde unser Team um eine komplett neue Abteilung ergänzt, die sich explizit nur um die Entwicklung der Autonomen Komponenten (Hardware und Software) kümmert. Die Bandbreite der Einsatzszenarien reicht hier von Parksituationen bis hin zu komplexen Strecken mit verschiedenen Hindernissen. Die hierfür von uns verwendete Sensorik und High-End-Software ist dieselbe, die auch aktuell von namhaften OEMs  der Automobilbranche verwendet wird. Für uns bietet dieses Jahr die unglaubliche Chance den Sprung in die Welt des Autonomen Fahrens zu wagen und wir blicken dementsprechend gespannt auf den Verlauf der Saison und die kommenden Wettbewerbe.



Kontakt

TUfast e.V.
Fakultät für Maschinenwesen

TU München
Boltzmannstr. 15
85748 Garching bei München
E-Mail: info.eco@tufast.de
Homepage: www.tufast-eco.de


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