high-efficiency-karlsruhe

Projektbeschreibung

Unser Projektteam High Efficiency Karlsruhe zählt normalerweise bis zu 25 Mitglieder, die sich auf mehrere Arbeitsgruppen verteilen. Die Aufgaben sind identisch zu den Fachtätigkeiten von Entwicklungsingenieuren in technischen Industrieprojekten:

Konzeption und Entwicklung
Berechnung und Simulation (FEM, CFD, Matlab/Simulink, usw.)
Konstruktion und CAD-Design
Hard- und Softwareentwicklung
Fertigung und Montage von Komponenten und Fahrzeug
Inbetriebnahme, Fehlersuche und Optimierung
Tests und Versuche
Präsentation und Dokumentation
Projektmanagement und Teamarbeit

Wir bereiten unser Fahrzeug im Rahmen von High Efficiency Karlsruhe gezielt auf den Shell Eco-marathon vor. Im Mittelpunkt steht dabei die erfolgreiche Teilnahme am Wettbewerb, die wir zumindest mit einem gültigen Wertungslauf abschließen wollen. Natürlich werden wir außerdem versuchen, unser bisheriges Ergebnis zu übertreffen.

Obwohl die Entwicklung unseres Fahrzeugs für den Shell Eco-marathon überwiegend im Rahmen von studentischen Projektarbeiten, Forschungs- und Entwicklungsprojekten und Bachelor- und Masterarbeiten vorangetrieben wird, gestalten sich die Prozesse und Anforderungen vergleichbar zu denen üblicher industrieller Projekte. Die anfangs gemeinsam definierten Entwicklungsziele sind innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne vollständig zu erarbeiten. Dies wird durch die Definition von Meilensteinen und regelmäßigen Projektreviews sichergestellt. Da unser Budget trotz der engagierten Sponsoren limitiert ist, muss unser Team in allen Aspekten der Projektarbeit auch kostenbewusst planen und agieren. Diese realitätsnahe Praxiserfahrung begeistert die Teilnehmer und liefert wertvolle Kompetenzen und Erfahrungen für den späteren Berufsalltag.

Die Mitarbeit im Team High Efficiency Karlsruhe erfolgt auf freiwilliger Basis oder im Rahmen einer Studienleistung. Je nach Umfang und Inhalt der Aufgabe werden Projekt- und Abschlussarbeiten für Bachelor- und Masterstudierende vergeben. Bei Bedarf können auch von den Interessenten eigene Themenvorschläge unterbreitet oder individuelle Aufgaben mit den Betreuern vereinbart werden. Die Bearbeitung erfolgt in kleinen Gruppen von 2 bis 8 Teilnehmern oder durch Einzelpersonen. Alle derzeit offenen Projektarbeiten sind für Angehörige der Hochschule Karlsruhe auf der ILIAS-Projektseite aufzufinden oder über die E-Mail-Adresse volker.hirsch@h-ka.de zu erfragen.

Chassis

Für die Entwicklung eines neuen Chassis wurde ein sehr kostengünstig zu realisierendes Konzept für eine besonders leichte und aerodynamisch optimierte Struktur aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) erarbeitet. Ziel ist eine selbsttragende Karosserie, die konsequenten Leichtbau mit einer strömungsgünstigen Formgebung verbindet.

Im ersten Schritt entstand die theoretische Grundlage für ein neuartiges Fertigungskonzept. Dieses kombiniert ebene und eindimensional gewölbte Grundformen mit 3D-gedruckten Formelementen, um komplexe Chassisstrukturen präzise laminieren zu können. Dieses Konzept wurde anschließend in einem weiteren Entwicklungsschritt in ein konkretes Formdesign überführt und anhand eines ersten Prototypbauteils praktisch validiert.

Darauf aufbauend erfolgte die aerodynamische Optimierung der Karosserie unter Einhaltung der fertigungstechnischen Randbedingungen. Mithilfe mathematischer Modellierungen und anschließender CFD-Simulationen wurde eine strömungsoptimierte Gesamtgeometrie entwickelt.

Als nächster Meilenstein ist der Bau der großformatigen Form im Maßstab 1:1 geplant, die aus elastisch gebogenen Kunststoffplatten und 3D-Druck-Formteilen besteht. Im Anschluss ist die Herstellung des Chassis aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff durch Handlaminieren geplant.

Wasserstoffsystem und Brennstoffzelle

Das Fahrzeug wurde erstmals 2024 im Wettbewerb mit Wasserstoffantrieb eingesetzt und hat seitdem zwei Wettbewerbe erfolgreich absolviert. Für den Shell Eco-marathon 2025 wurde das System der Energieversorgung gezielt weiterentwickelt. Dabei wurde die bisherige Ventilkette aus mehreren Einzelkomponenten zu einem kompakten Ventilblock zusammengeführt, wodurch sich das Gewicht um etwa 1 kg reduzieren und potenzielle Leckstellen minimieren ließen. Zudem wurde das sicherheitsrelevante Cut-Off-Ventil durch eine energieeffizientere und leichtere Variante ersetzt, wodurch der Stromverbrauch des Bauteils um ca. 60% gesenkt werden konnte.

Aktuell erfolgt im Rahmen einer Bachelorarbeit die Erschließung weiterer Effizienzpotenziale, beispielsweise durch die Reduzierung der Lüfterleistung der Brennstoffzelle sowie einer weiteren Vereinfachung des Wasserstoffsystems.

Derzeit wird für das Fahrzeug von High Efficiency Karlsruhe die Brennstoffzelle SuSy300 des Herstellers Baltic Fuel Cells eingesetzt. Deren Weiterentwicklung ist aktuell als studentische Projektarbeit ausgeschrieben. Gleichzeitig wird ein Wechsel auf das effizientere Produkt Horizon H-500XP von Horizon Fuel Cell Technologies vorbereitet.

Motorcontroller

Für das elektrische Antriebsmodul wird der bisher eingesetzte Motorcontroller des Herstellers Maxon durch eine vom Projektteam selbst entwickeltes Leistungselektronik ersetzt. Ziel dieses neuen Motorcontrollers ist, die Ansteuerung des Motors besser auf das Fahrzeugkonzept abzustimmen und die Effizienz des Antriebssystems weiter zu steigern.

Ein zentrales Konzept des Systems ist eine besonders verlustarme elektrische Verbindung zwischen Motor und Brennstoffzelle im stationären Fahrbetrieb bei konstanter Geschwindigkeit. In dieser Phase kann der Motor zeitweise ohne zusätzliche elektrische Verluste in der Leistungselektronik betrieben werden. Für Start und Beschleunigung wird eine separate, über ein Relais zugeschaltete Ansteuerung des Motors genutzt.

Der aktuell entwickelte Controller befindet sich derzeit in der Fertigung und soll bis Ende März 2026 einsatzfähig sein und erstmals getestet werden. Parallel dazu wird bereits eine weiter optimierte Entwicklungsstufe der Komponente ausgearbeitet.

Reifenprüfstand und Reifenauswahl

Aufgrund von Änderungen im Reglement dürfen die bisher verwendeten Leichtlauf-Reifen künftig nicht mehr eingesetzt werden. Daher liegt ein aktueller Fokus auf der Auswahl und Bewertung neuer Reifenvarianten, um ein geeignetes Produkt mit minimaler Rollreibung zur Ausstattung unseres Wettbewerbsfahrzeugs zu identifizieren und auszuwählen.

Hierfür wird ein eigenentwickelter Reifenprüfstand genutzt, mit dem sich verschiedene Reifenfabrikate hinsichtlich ihres Rollwiderstands systematisch testen lassen. Parallel dazu erfolgt die weitere Optimierung der Prüfeinrichtung selbst, um genauere und zuverlässigere Messergebnisse zu erreichen.

Prüfstände für Elektromotoren

Aktuell läuft ein Projekt zum Aufbau von Prüfständen für Elektromotoren und Getrieben für das Fahrzeug von High Efficiency Karlsruhe. Ziel ist es, wichtige Kenndaten wie beispielsweise Motor- und Drehzahlkonstante selbst experimentell zu bestimmen und damit die verwendeten Antriebe besser zu verstehen und auszulegen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Frage, wie sich der Motor bei Betrieb unterhalb der Nennspannung verhält, da der verwendete Gleichstrommotor derzeit nicht mit den vorgesehenen 24 V betrieben wird.

Für diese Untersuchungen werden mehrere Prüfstände entwickelt: ein Prüfstand für den blockierten Motor zur Bestimmung grundlegender Kennwerte, ein Prüfstand für den Motor im bewegten Betrieb sowie ein Prüfstand für Motor-Getriebe-Kombinationen, der sich vor allem zur Untersuchung des derzeit verwendeten Riemengetriebes oder anderer Getriebekonzepte einsetzen lässt.

CFK-Vorderräder
Im Rahmen einer Studie wird die Möglichkeit untersucht, Vorderräder aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) herzustellen. Ein zentraler Schwerpunkt liegt dabei auf der Frage, wie die Laminierformen für die dafür erforderlichen rotationssymmetrischen Bauteile kostengünstig und schnell gefertigt werden können. Als Lösungsansatz entstand ein Verfahren, bei dem Formen aus Gips mit einer rotierenden Schablone hergestellt werden.
In den letzten beiden Semestern wurde das Konzept zunächst im Rahmen einer Machbarkeitsstudie untersucht. Die Ergebnisse sind vielversprechend und werden aktuell in einer Bachelorarbeit weiterentwickelt, um sie für den praktischen Einsatz vorzubereiten.

Labor

Für alle Arbeiten am Projekt High Efficiency Karlsruhe steht ein Labor mit der benötigten Ausstattung zur Verfügung. Dieses befindet sich im LI-Gebäude der Hochschule Karlsruhe. Dort sind neben dem Fahrzeug auch verschiedene Werkzeuge und Geräte sowie die bisher entwickelten Prüfstände untergebracht, darunter beispielsweise ein Reifenprüfstand und ein Brennstoffzellenprüfstand.

Bild: Team Labor WS19

Teilnahme am Shell Eco-marathon

Neben einer breiten fachlichen Ausbildung der Studierenden und der Auseinandersetzung mit aktuellen und innovativen Technologietrends in einem praxisnahen Projekt der steht vor allem die Teilnahme des Teams High Efficiency Karlsruhe beim alljährlichen Shell Eco-marathon im Fokus der Aktivitäten. Insbesondere im Vorfeld des Wettbewerbs sind zahlreiche Vorbereitungen zu treffen.

Die Reise für 20 Personen muss organisiert und gebucht, Fahrzeug und Material müssen verpackt und in die Transportfahrzeuge eingeladen werden. Vor Ort ist anschließend das Zeltlager für die Unterbringung des Teams aufzubauen und der zugewiesene Boxenbereich für technische Arbeiten am Fahrzeug einzurichten. Vor den ersten Testfahrten auf der Wettbewerbsstrecke muss das Fahrzeug die offizielle technische Inspektion durch den Veranstalter bestehen. Erst dann darf das Team an den Test- und Wertungsläufen teilnehmen. Hier müssen Mensch und Technik unter höchster Anspannung und großem Arbeitseinsatz eine perfekte Performance abliefern. Nach dem insgesamt einwöchigen Wettbewerb wird alles wieder abgebaut, verstaut und zurück nach Karlsruhe gebracht.

Sonstige Aufgaben

Neben den technischen Entwicklungstätigkeiten werden viele andere, vor allem organisatorische Aufgaben von den Mitgliedern wahrgenommen. Neben dem grundsätzlich erforderlichen Projektmanagement sind auch die Beschaffung von Zukaufteilen, die Beauftragung der hochschuleigenen Werkstätten sowie die Abstimmung mit Lieferanten von größter Wichtigkeit. Darüber hinaus präsentiert unser Team das Projekt und die daraus hervorgegangenen Ergebnisse auch vor Studierenden, vor Hochschulangehörigen, vor Sponsoren und vor interessierten Industrievertretern.

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