Kart mit Twin-Motor Elektroantrieb

Im Rahmen der Kooperation zwischen der ITK Engineering AG und der HsKA ist ein Kart mit elektrischem Antrieb als Versuchsträger entwickelt worden, welches mit zwei permanenterregten Synchronmotoren bestückt ist. Mit Hilfe dieses Aufbaus wurden bereits in verschiedenen studentischen Projekten innovative Lösungskonzepte aus Themenbereichen des Automotive-Umfeldes (Fahrzeugvernetzung, modellbasierte Software-Entwicklung, Sensor- und Aktor-Integration, Fahrdynamikregelung…) entwickelt. Darauf aufbauend wird aktuell in weiteren Projektarbeiten an Optimierungen und Erweiterungen gearbeitet. Durch die Entwicklung eines WLAN-Gateways kann z.B. die Kommunikation mit der Umwelt ermöglicht werden und eine drahtlose Echtzeitüberwachung mit Telemetrie-Daten erfolgen. In den nachfolgenden Abschnitten werden die bereits entwickelten Lösungskonzepte ausführlicher erläutert.

 

Der Antriebsstrang

Der Antrieb des E-Karts basiert auf einem Twin-Motor Konzept (siehe Abbildung). Hierbei werden die beiden Hinterräder des E-Karts unabhängig voneinander von zwei permanenterregten Synchronmaschinen angetrieben. Die Spannungsebene im Leistungskreis beträgt 48V und befindet sich somit unterhalb der Berührungsschutzgrenze von 60V (DIN EN 1987-3). Die 24V Hilfsspannung dient zur Versorgung der Steuereinheiten der Leistungselektronik. Des Weiteren befindet sich ein 0.5kW starkes 12V-Bordnetz im E-Kart, welches zur Versorgung der Peripherieeinheiten dient. Beide Spannungsebenen (12V und 24V) sind durch den Einsatz von DC/DC-Wandlern galvanisch vom Leistungskreis (48V) getrennt. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht das Batteriesystem (Typ LiFEMnPo4) sowohl im Fahrbetrieb als auch während der Ladung. Bei der Ladung des Batteriesystems erfolgt ein Ladungsausgleich der einzelnen Zellen (Cell-Balancing).

 

Die Bus-Vernetzung

Um die Kommunikation zwischen den Steuergeräten zu gewährleisten, kommt im E-Kart ein CAN zum Einsatz . Über diesen Bus werden sämtliche Systemdaten, wie z.B. die Vorgabe der Drehmomente für die Motorsteuerungen, übertragen. Die BridgeIT, ein Steuergerät zum RCP (Rapid Control Prototyping) der ITK Engineering AG, bildet die zentrale Einheit in diesem Netzwerk (siehe Abbildung). Für dieses Steuergerät wurde die modellbasierte Funktionsentwicklung in MATLAB/Simulink und MATLAB/Stateflow genutzt. Auf diese Weise ist eine effiziente Vorgehensweise, insbesondere durch frühe Testverfahren wie Model-in-the-Loop (MIL) und Hardware-in-the-Loop (HIL), gewährleistet. Der Einsatz von eigens entwickelten Messwert-Aufnehmern im Front-und Heckbereich des E-Karts erlaubt es Sensordaten (z.B. von Drehzahlsensoren, Lenkwinkelsensor oder Gaspedal) auszuwerten.

 

Entwicklung einer Antriebsschlupf-Regelung

Eine Antriebsschlupf-Regelung (ASR) gleicht die Antriebsmomente eines Fahrzeugs an den Fahrbahnuntergrund an, sodass auch in einer Beschleunigungsphase ein stabiles Fahrverhalten vorliegt. Im Rahmen des Projekts für das E-Kart wurde ein solches ASR umgesetzt.

Die Entwicklung der ASR-Funktion erfolgte zunächst mit einer Umgebungssimulation, anhand welcher die Regler-Funktionalitäten getestet und parametriert wurden. Dabei wurde großer Wert auf ein hochwertiges Umgebungsmodell gelegt. Anhand dieses wurden zunächst Beschleunigungsmanöver, in denen große Schlupfverhältnisse auftreten, mithilfe eines Datenloggers aufgenommen, anschließend im Simulationsmodell abgespielt und somit die ASR angepasst. Die ASR basiert auf einem PID-Regler, dem ein Schlupfschätzer und eine geschwindigkeitsabhängige Sollschlupfvorgabe vorgeschaltet sind.

Die Abbildung zeigt die Wirkungsweise der ASR anhand einer Beschleunigungsfahrt auf glattem Untergrund. Hierbei ist zu erkennen, wie mit Hilfe der ASR das Antriebsmoment auf glattem Untergrund angepasst wird, sodass die Radumfangsgeschwindigkeit dem E-Kart angepasst wird.

    

Realisierung eines aktiven Software-Differentials

Ergänzend zum oben beschriebenen ASR wurde ein aktives Software-Differential entwickelt und implementiert. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Torque-Vectoring. Dieses regelt die Verteilung des zur Verfügung stehenden Drehmoments auf die Antriebsräder Es ist eng mit dem bekannten Elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) verwandt, arbeitet jedoch in einer umgekehrten Funktionsweise. Während ein ESP einzelne Räder gezielt abbremst um das Fahrzeug zu stabilisieren bzw. ein Ausbrechen zu verhindern, werden beim Torque-Vectoring einzelne Räder gezielt angetrieben.

Das im Rahmen einer Projektarbeit entwickelte Torque Vectoring ermöglicht es die Drehmomente an den Hinterrädern des E-Karts zu verteilen. Hierdurch kann sowohl die Fahrstabilität in Kurven als auch die Agilität des E-Karts gesteigert werden. Die letzte Abbildung verdeutlicht die Funktionsweise des Torque Vectoring am Beispiel einer Rundfahrt im Keller des F-Gebäudes der HsKA. Unmittelbar nach der Beschleunigungsphase stellt sich eine konstante Geschwindigkeit ein (Abschnitt Start bis 1). Die hinteren Motormomente werden während der Geradeausfahrt (Abschnitt 1) gleichmäßig auf das rechte (RR) und linke (RL) Hinterrad verteilt. Durchfährt das E-Kart eine Kurve, wird abhängig vom Lenkwinkel und der Fahrzeuggeschwindigkeit auf das kurvenäußere Rad ein größeres und auf das kurveninnere Rad ein geringeres Motormoment gegeben (Abschnitt 2). Das vom Fahrer gewünschte Antriebsmoment darf hierbei nicht überschritten werden. Durch den Eingriff des Torque-Vectoring stellt sich eine Erhöhung der Drehrate bzw. eine Erhöhung der Kurvengeschwindigkeit ein, da ein Giermoment erzeugt wird.

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Reiner Kriesten

Tel.: +49 (0)721 925 1423
E-Mail: reiner.kriestenspam prevention@hs-karlsruhe.de

 

Ferdinand Schäfer, M. Sc.

E-Mail: Ferdinand.Schaeferspam prevention@hs-karlsruhe.de