Aufrufe
vor 11 Monaten

antriebstechnik 1-2/2015

antriebstechnik 1-2/2015

Sicher über die

Sicher über die Ziellinie Batterie-Management-System sorgt für Sicherheit in Formula Student Rennwagen Benedikt Schmitz-Rode Nicht nur in der Industrie sondern auch bei außergewöhnlicheren Anwendungen können Batterie-Management-Systeme (BMS) von zentraler Bedeutung sein. Ein solches System von Sensor-Technik Wiedemann überwacht und steuert die Batterien in einem Rennwagen des Karlsruher Instituts für Technologie. Benedikt Schmitz-Rode, Teamleiter Elektrischer Antriebsstrang des KA-RaceIng e.V., Karlsruhe Institute of Technology (KIT) I m Rahmen des internationalen Konstruktionswettbewerbs „Formula Student“ entwickeln und fertigen Studenten von über 500 Hochschulen aus aller Welt jährlich Rennwagen. Seit 2006 wird die Formula Student, die erstmalig 1981 in den USA ausgetragen wurde, unter der Schirmherrschaft des VDI auch in Deutschland ausgerichtet. Neben der großen Zahl an teilnehmenden Rennwagen mit Verbrennungsmotoren stieg mit der Einführung einer separaten Elektro-Klasse im Jahr 2010 kontinuierlich die Zahl der Boliden mit E-Motor. Neben der reinen Fahrleistung der Wagen werden die Konstruktion, eine Kostenanalyse und ein fiktiver Businessplan von einer Fachjury bewertet. Beim Fahren 24 antriebstechnik 1-2/2015

STEUERN UND AUTOMATISIEREN 01 Zellmodul mit Strombrücken 02 Modulares Batterie-Management-System werden durch die enge Streckenführung vor allem die querdynamischen Qualitäten der Boliden getestet. Dies stellt spezielle Anforderungen an den Antriebsstrang, die Batterien und das BMS. Batterie spielt zentrale Rolle Das aktuelle Elektrorennfahrzeug von KA-RaceIng, KIT14E, dem Formula Student-Team des Karlsruher Instituts für Technologie, zeichnet sich diese Saison durch einen komplett eigenentwickelten Antriebsstrang aus. Bei der Konstruktion wurde insbesondere auf Gewichtsreduktion, einen niedrigen Schwerpunkt und geringe ungefederte Massen geachtet. Schon im zweiten Jahr wird ein Allradkonzept mit unterhalb des Karbon-Monocoque angebrachten Zentralmotoren, die über ein zweistufiges Getriebe auf Achshöhe übersetzt werden, verfolgt. Die Traktionsbatterie spielt mit ihrer Gesamtmasse von 45 kg (knapp ein Viertel des Fahrzeuggewichts) und als Energiespeicher eine zentrale Rolle für die Leistungsfähigkeit des Rennwagens. Die Batterie wird direkt hinter dem Fahrer, also nah am Drehzentrum des Boliden, am tiefsten Punkt nach unten ausbaubar, platziert. Mit einer Gesamtenergie von 6,7 kWh bei einer nominellen Spannung von 355 V liefert sie spitzenweise 85 kW Leistung und stellt ausreichend Energie für die Ausdauerrennen über 22 km zur Verfügung. Im Inneren ist die Batterie in sechs identische, in Serie geschaltete und voneinander durch Feuerschutzbarrieren getrennte Zellmodule aufgeteilt. Jedes Modul beherbergt 48 Lithium Polymer Zellen in einer 3p16s- Konfiguration. Das Gehäuse der Module ist selbstragend und besteht aus einer Sandwichstruktur aus Wasser geschnittenen und verklebten Schäumen und Glasfaserplatten. An den Hauptbelastungsstellen werden die Sandwichpaneele zusätzlich noch von Topologie optimierten GFK-Strukturen verstärkt. Mit Hilfe eines Nut- und Federsystems werden die einzelnen Paneele zum fertigen Zellcontainer zusammengesteckt und mit speziellen Klebstoffen fixiert, um einen sicheren Sitz der Zellen zu gewährleisten. Das Zellmodul wird von einer Platine oben abgeschlossen, auf der sich die Strombrücken zum Verschalten der Zellen, sowie Spannungs- und Temperaturmessstellen für das Batterie-Management-System (BMS) befinden. BMS für mehr Sicherheit Um die Effizienz des Rennwagens zu verbessern, wird weitgehend elektrisch gebremst. Die während des Bremsvorgangs freiwerdende Energie wird wieder zurück in die Batterie gespeist und erlaubt somit einen höheren Energieverbrauch. Bis zu 35 % der verbrauchten Energie sollen auf diese Weise wieder zurückgewonnen werden. Um ein Überhitzen der Zellen zu verhindern, wird die Batterie luftgekühlt. Die Zellen sind so platziert, dass jeweils eine Seite und die Zellfahnen durch den Luftstrom gekühlt werden. Die Batteriekühlung ist intelligent in die Frischluftzufuhr des Monocoques integriert und basiert auf Umwälzlüftern. Durch die extremen Belastungen für die Batteriezellen während des Rennens, ist die Wahl des BMS von großer Bedeutung für den sicheren Betrieb des Rennwagens. Das von Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) zur Verfügung gestellte modulare powerMELA mBMS überwacht die einzelnen Zellspannungen, die fließenden Ströme und die Temperatur innerhalb der Batterie. Zusätzlich begrenzt es die maximale Lade- und die Entladeleistung, zeichnet die Zellalterung (State of Health) auf und überwacht den Isolationswiderstand im HV-System. Durch den großen Funktionsumfang spielt das BMS eine zentrale Rolle im Sicherheitskonzept des Fahrzeuges. Der KIT14E wird auf den Events in Silverstone, Hockenheim, Győr und Barcelona seine Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen. www.sensor-technik.de antriebstechnik 1-2/2015 25

Aktuelle Ausgabe