Batterieladung für das Rensselaer Formula Hybrid Team

Anwendung

Das Rensselaer Formula Hybrid Team ist ein von Studenten geleitetes Ingenieurteam, das am Rensselaer Polytechnic Institute tätig ist und von diesem gesponsert wird. Das RPI Formula Hybrid Team nimmt jährlich am internationalen Formula Hybrid Hochschulwettbewerb teil und hat sich zum Ziel gesetzt, leistungsstarke Hybrid-Rennwagen zu entwerfen, zu bauen und damit Rennen zu fahren. Im Gegensatz zu vielen der heute im Handel erhältlichen Hybridfahrzeuge nutzt das Design unseres Fahrzeugs einen Hochspannungs-Elektromotor parallel zu einem konventionellen Verbrennungsmotor, um die dynamische Fahrzeugleistung in einer Rennumgebung zu maximieren. Während unser Hybridfahrzeug optisch einem Formula SAE Auto ähnelt, erfordert es umfangreiche zusätzliche Konstruktionsarbeit im Antriebsstrang, Batterie- und Sicherheitssystemen. Die Herausforderung, komplexe mechanische, elektrische und Computersysteme zu integrieren, ist das, was die meisten unserer Mitglieder zum Team zieht. Wir glauben, dass ingenieurwissenschaftliche Herausforderungen wie diese eine der besten Möglichkeiten für junge Ingenieure, Projektmanager und verwandte Fachrichtungen sind, sich auf die interdisziplinäre Natur realer Projekte vorzubereiten.

Die letzten Iterationen unseres Fahrzeugs wiesen viele Gemeinsamkeiten auf. Das Fahrzeug verwendet ein im eigenen Haus entworfenes und geschweißtes Chassis aus 4130 Chromoly-Legierung als hohles Stahlrohrrahmen. Eng in das Chassis integriert ist ein unabhängiges Aufhängungssystem mit Doppelquerlenkern. Mechanische Verbindungen aus Umlenkhebeln, Zugstreben und Stoßdämpfern ermöglichen es uns, das Profil des Federwegs präzise zu steuern. Ein Motor einer Kawasaki Ninja 250r und ein bürstenbehafteter AGNI 95r DC-Elektromotor sind parallel über Ketten mit den Hinterachs-Differentialritzeln verbunden. Gewichtsminimierung und Schwerpunktüberlegungen sind entscheidend, um negative Auswirkungen auf die Fahrzeugleistung zu minimieren. Vor diesem Hintergrund wird die durchdachte Integration des Hochspannungs-Batteriesystems (oder elektrischen Akkumulators) zu einem entscheidenden Element des Gesamtfahrzeugdesigns. Unser Akkumulator befindet sich unterhalb der Cockpit-Brandwand, am tiefsten und zentralsten Punkt des Autos. Bestehend aus 440 hochstromfähigen 18650 Lithium-Ionen-Zellen und überwacht von einem teaminternen Akkumulator-Management-System-Computer, stellt der Akkumulator wirklich eines der komplexesten Systeme im Auto dar. Vom Akkumulator aus führen Hochstromkabel zu einem hinten montierten Motorcontroller, der dann direkt den Elektromotor antreibt. Eine SPS überwacht Sensoren an verschiedenen Stellen des gesamten Fahrzeugs und implementiert die übergeordnete Steuerungslogik für die Fahrzeugfunktionen.

Wir brauchen mehr Leistung!

Während das Team einen maßgeschneiderten Akkupack verwendet, bestand unsere bisherige Ladelösung aus einer Zusammenstellung handelsüblicher Produkte. Diese Ladelösung war alles andere als optimal. Das vorherige Ladegerät bestand aus zwei DC-Netzteilen mit fester Spannung, die in Reihe geschaltet wurden, um 80 Vdc zu erreichen. Da jedes Netzteil immer 40 Vdc ausgab, hatten wir keine gute Möglichkeit zu steuern, mit welchem Strom oder welcher Spannung wir luden. Wir mussten auch ein umständliches System für die Umschaltung erstellen, wenn die Netzteile die Batterien luden, um den Regeln zu entsprechen. Um den Ladezustand der Batterien zu überwachen, verwendeten wir einige Handmultimeter zur Überwachung von Spannung und Strom. Dies ermöglichte es uns, ungefähr abzuschätzen, wann die Ladung beendet werden sollte, da es keine Rückmeldung vom Akkumulator zum Ladegerät gab. Die Netzteile waren auch nicht rackmontierbar, sodass wir ein maßgeschneidertes Gehäuse bauen mussten, um den Transport zu unserem Wettbewerb zu erleichtern. Trotz seiner Mängel war dieses System über eine Reihe von Jahren zufriedenstellend. Dies änderte sich beim Wettbewerb 2013, als ein Netzteil aufgrund eines unbestimmten Problems explodierte. Dieser Vorfall veranlasste uns, nach einem neuen Netzteil zu suchen, das den Anforderungen unserer Anwendung besser entsprach. Wir wollten etwas, das leicht transportiert und montiert werden konnte. Es musste auch einfach zu bedienen und mit minimalem Aufwand in unser bestehendes System zu integrieren sein.

Die nächste Generation

Glücklicherweise kam Magna-Power Electronics mit einem gespendeten programmierbaren Netzteil der SL Serie zur Rettung. Die SL Serie war genau das, wonach wir gesucht hatten. Das 1.5 kW Gerät unterstützt Universaleingang, sodass wir unser Ladegerät an der Rennstrecke oder in der Werkstatt betreiben können, ohne uns Sorgen machen zu müssen, 220 Vac zu finden. Außerdem finden wir es sehr intuitiv, es mit einer handelsüblichen SPS-Einheit zu integrieren. Dies ermöglicht es uns, komplexere Ladeprofile zu verwenden (siehe Beispiel in Abbildung 1), da Lithium-Ionen-Zellen spezielle Ladekurven für sicheres Laden erfordern. Dies war mit dem alten Ladegerät nicht möglich, da wir keine Kontrolle über den Strom oder die Spannung hatten, die die Netzteile ausgaben. Im neuen Aufbau können wir den Ladestrom der Zellen fein abstimmen sowie die Spannung wählen, auf die wir sättigen möchten.

Der Magna-Power Support war ebenfalls großartig, wenn wir Fragen zur Integration hatten. Als das Team beim Wettbewerb Kalibrierungszertifikate benötigte, hatte ein Anruf beim Magna-Power Support diese innerhalb von 10 Minuten bei uns. Da wir unser Netzteil nun mit einer SPS steuern, kann das Ladegerät das Fahrzeug abfragen, ob eine Ladung tatsächlich erforderlich ist und ob dies sicher durchgeführt werden kann. Es reduziert auch den Ladestrom, wenn sich die Batterien erwärmen, was die Sicherheit und die Lebensdauer der Zellen erhöht. Am wichtigsten ist, dass der Ladevorgang automatisch ohne Benutzereingabe gestoppt werden kann, da Akkumulator und Ladegerät ständig in Kommunikation stehen. Dies gibt Teammitgliedern die Möglichkeit, sich anderen wichtigen Aufgaben zu widmen. Die Möglichkeit, das Netzteil im Rack zu montieren, hat den Transport ebenfalls erheblich einfacher und robuster gemacht, da alles in einem Rack untergebracht ist.

Fazit

Das Team hat erheblich vom Wechsel zum Magna-Power SL Netzteil profitiert. Vor allem hat es uns geholfen zu erkennen, wie unzureichend unsere vorherige Ladelösung war, und welche neuen Möglichkeiten ein programmierbares Netzteil bieten kann. Dank der in unser neues Netzteil integrierten Funktionen kann nun unser gesamtes Fahrzeug von den Vorteilen intelligenter Ladung und Echtzeitkommunikation profitieren. Wir haben auch eine Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit festgestellt. Am wichtigsten ist, dass das Wissen, unsere Ladekapazitäten flexibel erweitern zu können, ohne in eine völlig neue Ladelösung investieren zu müssen, uns zuversichtlich stimmt, dass es auch in Zukunft unseren Anforderungen gerecht werden kann.

Kyle Pollard studiert Maschinenbau im Hauptstudium am Rensselaer Polytechnic Institute. Er hatte in den letzten drei Jahren die Rolle des Chefingenieurs des Formula Hybrid Teams inne. Seine Interessengebiete umfassen Batteriesystemdesign und Mechatronik.

Szymon Morawski studiert Computersysteme im Hauptstudium am Rensselaer Polytechnic Institute. Er ist seit vier Jahren im Formula Hybrid Team aktiv. Szymon hat mehrere Ingenieurpraktika bei Magna-Power absolviert und freut sich darauf, seine Arbeit in der Embedded-System-Programmierung nach dem Abschluss fortzusetzen.