high-efficiency-karlsruhe

Projektbeschreibung

Unser Projektteam High Efficiency Karlsruhe zählt normalerweise bis zu 20 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
Fertigung und Montage von Komponenten und Fahrzeug
Inbetriebnahme, Fehlersuche und Optimierung
Tests und Versuche
Präsentation und Dokumentation
Projektmanagement und Teamarbeit

Hauptziel des Projekts High Efficiency Karlsruhe ist es, das bestehende Fahrzeug für den Wettbewerb, den Shell Eco-marathon, fertig zu machen. Wir wollen mit dem Fahrzeug mit einem erfolgreichen Wertungslauf am Wettbewerb teilnehmen. Dazu wird beispielsweise noch eine Sicherheitseinrichtung benötigt, mithilfe derer die Wasserstoffdetektion und -abschaltung im Fahrzeug erfolgt. Außerdem soll die Effizienz des Fahrzeugs so weit gesteigert werden, dass ein gültiger Wertungslauf mit 0,4 ltr. Wasserstoff möglich ist. Dies wollen wir durch einen optimierten Antrieb und eine intelligente Vorderachse mit optimierter Rollreibung auch bei Kurvenfahrt erreichen.

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. Bei Interesse kann jederzeit Herr Prof. Dr.-Ing. Volker Hirsch unter volker.hirsch@h-ka.de kontaktiert werden.

Brennstoffzellenmodul

Wasserstoffautos bieten die Vorteile einer umweltfreundlichen und emissionsfreien Mobilität sowie einer hohen Energieeffizienz, was sie zu einer vielversprechenden Option für ultraeffiziente Fahrzeuge macht.

Aus diesem Grund soll auch unser Fahrzeug mit Wasserstoff angetrieben werden.

Zu Testzwecken stehen im Labor zwei Brennstoffzellen zur Verfügung: SUSY 300 und SUSY 500 des Herstellers Baltic Fuel Cells. Mit beiden Brennstoffstellen wurden schon einige Tests auf einem eigens dafür aufgebauten Prüfstand durchgeführt. Während dieser Tests wurde beispielsweise der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Leistung der Brennstoffzellen untersucht.

Ein neuer Brennstoffzellenprüfstand mit Thermokammer und Luftfeuchte-Klimatisierung für genauere Untersuchungen zum Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Brennstoffzellencharakteristik wurde entwickelt und soll zeitnah aufgebaut und in Betrieb genommen werden.

Chassis

Die Entwicklung der selbsttragenden Karosserie des Prototypenfahrzeugs erfolgt unter besonderer Berücksichtigung des Leichtbaus und einer strömungsgünstigen Formgebung.

Das Chassis besteht aus carbonfaserverstärktem Kunststoff. Dadurch wird infolge des geringeren Gesamtgewichts des Fahrzeugs weniger Wasserstoff verbraucht. Außerdem soll das Chassis auch einen möglichst geringen Strömungswiderstand haben, was durch numerische Simulationen mittels CFD-Analyse erreicht wird. Auch dadurch wird der Energieverbrauch des Gesamtfahrzeugs gesenkt.

Des Weiteren wurde ein neues Chassiskonzept mit innenliegenden Vorderrädern erarbeitet. Dieses konnte jedoch mangels fehlender Finanzierung bisher nicht realisiert werden.

Vorderachse und Lenkung

Für das Team von High Efficiency Karlsruhe entwickelte eine vierköpfige Gruppe von Fahrzeugtechnologie- und Mechatronik-Studierender im Rahmen einer Projektarbeit im Wintersemester 2022/23 eine Möglichkeit, die Vorderachse des Fahrzeugs in Bezug auf dessen Rollreibung zu optimieren. Nach Diskussion und Analyse verschiedener Konzepte entschied das Team, beide Vorderräder mit Winkelsensoren auszustatten. Da eine Vorderachse nie rein mechanisch für alle Lenkwinkel stets der für die Rollreibung idealen Ackermann-Bedingung entsprechen kann sowie Spurwerte durch elastische Verformungen von Fahrwerk und Karosserie vom Ideal abweichen können, bietet die dauerhafte Messung des Spurwinkels eine Möglichkeit permanenter Überprüfung.

Ausgewertet und dokumentiert werden die Sensorsignale über einen Microcontroller, welcher diese mit den idealen Spurdifferenzwinkel nach der Ackermann-Bedingung vergleicht. Erforderlich war außerdem eine präzise Vermessung des Gesamtfahrzeugs, um Parameter wie Radstand und Spurweite für die Berechnung nutzen zu können. In Zukunft kann so über einen Aktuator in der Spurstange für jede Fahrsituation der Spurwinkel an den Idealwert für eine niedrige Rollreibung angepasst werden ("Intelligente Vorderachse").

Elektrik, Elektronik und Software

Das Teilprojekt im Bereich Elektrik, Elektronik und Software befasst sich mit der Entwicklung der benötigten Verkabelungen, dem dazugehörigen Erstellen von Schaltplänen und dem Konzeptionieren und Implementieren von Softwarekomponenten.

Bei der Arbeit im Bereich der Elektrik, Elektronik und Software erfolgt eine enge Zusammenarbeit mit den anderen Themenbereichen des Fahrzeugs. So muss beispielsweise zusammen mit dem Team des Brennstoffzellenmoduls ein Schaltplan für die Brennstoffzelle entwickelt werden. Darüber hinaus fließt das Konzept der benötigten Verkabelungen auch in die Konzeptionierung des Chassis mit ein, da diese später an der Innenseite des Chassis angebracht werden müssen.

Foto: Philipp Raffael Diel

Prüfstände

Teststationen sind aus mehreren Gründen von entscheidender Bedeutung für unser Entwicklungsprojekt. Erstens ermöglichen sie es, die Funktionalität und Leistung eines Produkts in einer kontrollierten Umgebung zu überprüfen und zu verbessern. Durch umfangreiche Tests können potenzielle Schwachstellen, Fehler oder Ineffizienzen erkannt und behoben werden.

Zweitens dienen Teststationen als Plattform für das Validieren und Verifizieren von Designs und Prototypen. Durch den Einsatz spezifischer Testverfahren kann sichergestellt werden, dass das Fahrzeug den gewünschten Anforderungen entspricht. Darüber hinaus ermöglichen Teststationen die Durchführung von Zuverlässigkeits- und Lebensdauertests. Diese Tests helfen dabei, die Langlebigkeit und Robustheit der Bauteile zu bewerten und mögliche Schwachstellen unter realen Bedingungen zu identifizieren.

Schließlich ermöglichen Teststationen die Sammlung wertvoller Daten, die für die Produktverbesserung und Weiterentwicklung von großer Bedeutung sind. Durch die Analyse der Testergebnisse können Einblicke gewonnen werden, um die Leistung, Qualität und Benutzerfreundlichkeit des Produkts zu optimieren.

Labor

Für alle Arbeiten am Projekt High Efficiency Karlsruhe steht ein Labor inklusive der benötigten Laborausstattung zur Verfügung.

Dieses befindet sich im LI-Gebäude der Hochschule Karlsruhe (HKA). Dort befinden sich alle bisher gefertigten Prüfstände. Dazu gehören beispielsweise einen Reifenprüfstand und ein Brennstoffzellenprüfstand. Außerdem befindet sich im Labor das Herzstück des Projekts High Efficiency Karlsruhe: Das Fahrzeug. Zu finden sind dort auch Werkzeuge und andere nützliche Dinge für die Arbeit am Fahrzeug.

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.

Zeil

Sonstige Aufgaben

Neben den technischen Entwicklungstätigkeiten werden viele andere, vor allem organisatorische Aufgaben von den Mitgliedern wahrgenommen. Außer dem dem bereits erwähnten Projektmanagement sind auch die Beschaffung von Zukaufteilen, die Beauftragung der Werkstätten der Hochschule sowie die Abstimmung mit Lieferanten von größter Wichtigkeit. Und weil Klappern zu Handwerk gehört, präsentieren unsere Teammitglieder das Projekt und die daraus hervorgegangenen Ergebnisse auch vor Studierenden, vor Hochschulangehörigen und vor Industrievertretern.