Sponsoring fördert kreative Jungingenieure: Motorregler für Elektro-Kart

In guten Händen

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Gerade im Stadtverkehr sind herkömmliche Fahrzeuge meist überdimensioniert. Hier bieten sich Elektroautos als sinnvolle Alternative an. Die begrenzte Reich- weite bedingt durch die noch recht limitierte Kapazität der eingesetzten Akkus ist hier in der Regel unproblematisch. Studenten der Fahrzeugtechnologie an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft haben in einem siebenmonatigen Projekt ein herkömmliches Kart auf Elektroantrieb umgerüstet.

Fünf Studenten des Fachbereichs Fahrzeugtechnologie an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft stellten sich der Aufgabe, ein Kreidler F100 Kart von einem Verbrennungs- auf einen Elektroantrieb umzurüsten. Für die Beschaffung des Karts sowie aller zu verbauenden Komponenten waren die Studierenden selbst verantwortlich. Zusätzlich wurde im Rahmen des siebenmonatigen Projekts ein Prototyp einer elektronischen Antriebsregelung für ein Elektrofahrzeug entwickelt, programmiert und getestet. Diese Regelung arbeitet ähnlich einer Antriebs-Schlupf-Regelung (ASR).

Für die nötige Bewegung im E-Kart sorgen zwei bürstenlose Servomotoren der Serie NDS der Firma ATS Antriebstechnik, die vor der Hinterachse quer eingebaut wurden und über einen Kettenantrieb die Kraft auf die Räder des Fahrzeugs übertragen. „Der Kontakt kam über Herrn Körber, Geschäftsführer der Firma Unitek, zustande, also über den Motorregler-Hersteller“ erinnert sich Dietmar Kastner, Technischer Leiter bei ATS Antriebstechnik. „Aus der Zusammenarbeit in anderen Projekten wusste er, dass wir uns gut mit Elektromotoren für niedrige Spannungsbereiche auskennen und auch für das E-Kart eine passende Motorlösung würden liefern können.“ Beim Einsatz im E-Kart müssen die Antriebe nicht nur mit starken Erschütterungen, Schmutz und Spritzwasser zurechtkommen, sondern auch die benötigten hohen Ströme liefern. Die Motorenexperten der ATS Antriebstechnik (Entwicklung) und der Firma Rudolf Schabmüller (Fertigung) haben aber nicht nur zwei Antriebe gesponsert, sondern die Jungentwickler aktiv unterstützt. Bei einem gemeinsamen Gespräch wurde der Bedarf ermittelt und wie bei anderen Kunden auch, der Motor dann an die entsprechenden Anforderungen angepasst. So haben die Motorspezialisten für das E-Kart die Wicklungsauslegung der eingesetzten Motoren auf die speziellen Anforderungen abgestimmt, das ideale Verhältnis von Verstärker zu Motor ermittelt und bedacht, wie man die zur Verfügung stehende Energie der Batterien optimal nutzen kann. „Wir haben nicht schlecht gestaunt, als wir bei einem Dauertest feststellten, dass die Batterien für gut zwei Stunden ausreichen; sicher hat das auch mit diesen Anpassungen zu tun“ freut sich Benjamin Käuper, im Projektteam zuständig für Projektleitung und Motoransteuerung. „Für uns bedeutete das auch, dass wir auf leichtere Akkus umsteigen und einiges an Gewicht sparen könnten.“
Leichte und dennoch starke Regler
Ebenso wichtig wie zuverlässige Antriebe ist aber eine geeignete Steuerung, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs den jeweiligen Gegebenheiten anzupassen. Hier setzten die Studenten auf zwei Motorregler des Typs „Bamobil-D3 350“ des Leutenbacher Unternehmens Unitek. „Herr Körber, der Geschäftsführer des Unternehmens, war begeistert von unserem Projekt und hat uns gerne nicht nur zwei Regler zur Verfügung gestellt, sondern ist uns auch in verschiedenen technischen Fragen mit Rat und Tat zur Seite gestanden“, berichtet Käuper. Die Regler selbst eignen sich für den Einbau im E-Kart sehr gut, weil sie einen hohen Wirkungsgrad erreichen, mit starken Erschütterungen und Schmutz klarkommen und gleichzeitig sehr kompakt und leicht sind. Da angestrebt ist, für das Fahrzeug eine Straßenzulassung zu erhalten, mussten wir strenge Gewichtsvorgaben beachten. Deshalb war natürlich auch das jeweilige Gewicht der eingesetzten Komponenten ein wesentliches Kriterium für die Auswahl.“
Bremsenergie nutzen
Die grundsätzliche Anpassung vom Regler an den eingesetzten Motor hat Unitek für die Studenten vorgenommen. „Alle weiteren Einstellungen der Regelung haben wir dann mit der mitgelieferten Windows-basierten Software NDrive selbst parametriert, die nach einer ersten Einführung sehr gut zu bedienen war“ erzählt Käuper. Standardfunktionen wie Geschwindigkeits- und Drehmoment-Regelung, Positionssteuerung, Differenzantriebe (für Kettenfahrzeuge) oder Lenkreglerfunktionen sind hier modellspezifisch einstellbar. Auch Zusatzeigenschaften wie Geschwindigkeitsbegrenzung in Kurven oder bei Rückwärtsfahrt, Batterie- und Temperaturüberwachung, Bremsensteuerung oder Fehlerspeicherung sind dank des flexiblen Konzeptes von Software und Prozessoreinheit leicht zu generieren.
„Es kam uns entgegen, dass sich mit dem 4-Quadranten-Regler auch eine Rekuperation, also die Rückspeisung der Bremsenergie, einfach realisieren lässt“ freut sich Käuper. „Im Stadtverkehr wird eben viel gebremst und wieder angefahren. Hier war uns wichtig, dass die Bremsenergie nicht einfach ungenutzt bleibt.“ Momentan wird dazu noch ein Schalter umgelegt und dann einfach mit dem Gaspedal gebremst. „Das ist natürlich für den Einsatz im Straßenverkehr nicht die ideale Lösung“ gesteht Käuper. „Wir mussten diesen Weg wählen, weil uns leider ein Sponsor für ein entsprechendes elektronisches Bremspedal fehlte. Aber wir konnten zeigen, dass es möglich ist, das Fahrzeug auf elektrischem Weg auch aus Höchstgeschwindigkeit vollständig abzubremsen.“ Ebenfalls mit Hilfe des Reglers haben die Studenten eine Antischlupfregelung (ASR) realisiert, um beispielsweise das Durchdrehen der Räder auf weniger griffigem Untergrund zu vermeiden.
An weiteren Ideen mangelte es den fünf Studenten nicht, so ist in der momentanen Lösung in der Kurvenfahrt die Drehzahl auf beiden Rädern noch gleich hoch. „Leider fehlte uns die Zeit, das Differenzial über den Regler abzubilden, obwohl er dafür vorbereitet ist“, so Käuper. Nachfolgende Studenten werden das Projekt in Zukunft betreuen. So ist beispielsweise mittelfristig eine Abdeckung für die Regler und Motoren angedacht und selbstverständlich steht das Erlangen einer Straßenzulassung für das E-Kart nach wie vor ganz oben auf der Wunschliste. Prof. Jürgen Walter, der das Projekt betreut hat, ist von der Leistung der Studenten sehr angetan: „Was die Studenten in dieser kurzen Zeit – wohlgemerkt neben dem Studium – geleistet haben, ist wirklich beachtlich. Gleichzeitig sind wir froh, dass sich immer wieder Partner aus der Industrie finden, ohne deren Unterstützung solche Projekte niemals möglich wären.“
Unitek; Telefon: 07195 928314

Motorregler für alle Antriebskonzepte
Der universelle Motorregler Bamobil D3 eignet sich für AC-, EC- und DC-Motoren. Er berücksichtigt alle Ansprüche, die einfache und komplexe Antriebe und Steuerungskonzepte für batteriebetriebene Fahrzeuge heute stellen. So leistet er bei 24 bis 120 VDC bis zu 9 kW (Bamo-D3 bis 360 V 500 A) auf Dauer bei geringster Verlustleistung. Die eigensichere FET-Leistungsendstufe verarbeitet dabei je nach Ausführung Spitzenströme von 50 bis über 450 A; Dauerströme von 25 bis 225 A sind ebenfalls kein Problem. Die Taktfrequenz beträgt zwischen 8 und 16 kHz, eine programmierbare thermische Überwachung sichert die Endstufe zusätzlich ab. Dabei ist ein Betrieb über manuelle oder automatische Steuerung (SPS/CNC), über CAN-Bus oder RS232-Schnittstelle möglich. Das digitale Steuerungsteil stellt vielfältige Ein/Ausgangsschnittstellen zur Verfügung, so beispielsweise Gebereingänge für Resolver, Inkremental- (TTL, SINCOS1Vss) oder Rotorlagensensor. Differenzeingänge für analoge Werte (Sollwert, Istwert, Sensoren), Eingänge für digitale (Endlagen)Sensoren. Digitale Ausgänge bis 24 V verbinden die Reglersteuerung mit der Außenwelt.
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