Nehmen Sie an unseren 15000 IMP Followern teil

www.auto-innovationen.com
MURATA News

„Cool“ bleiben auf der Rennstrecke

Murata sponsert in diesem Jahr das Formula Student Team des Instituto Superior Técnico von der Universität Lissabon mit einer Kombination aus Finanzmitteln und elektronischen Bauelementen.

„Cool“ bleiben auf der Rennstrecke

Seit 2001 befasst sich das Team FST Lissabon mit der Konstruktion, dem Bau und dem Testen von Formelrennwagen, die auf internationaler Ebene bei Wettbewerben der Formula Student antreten sollen. Während dieser Zeit entwickelte das Team insgesamt neun Prototypen, von denen drei von Verbrennungsmotoren und die übrigen sechs elektrisch angetrieben wurden.

Die Formula Student stellt Teams aus Universitätsstudenten aus aller Welt die Aufgabe, einsitzige Rennwagen zu konzipieren, zu konstruieren, herzustellen und zu entwickeln und mit diesen Fahrzeugen in den Wettbewerb zu gehen. In der Klasse der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge kommt es darauf an, die Batterietemperatur fortlaufend zu überwachen und insbesondere während der Langstreckentests (Endurance) auf einem niedrigen Niveau zu halten. Dabei geben die Wettbewerbsregeln vor, dass die Teams bei mindestens 30 % der Lithium-Ionen-Zellen innerhalb der Batterie darauf achten müssen, dass die Temperatur nicht auf 60 °C ansteigt. Sobald die Batterietemperatur einen Wert von 60 °C erreicht, wird das betreffende Team umgehend disqualifiziert.

Härtetest für das Kühlsystem
Der Langstreckentest erstreckt sich über 20 km und dauert je nach Leistungsfähigkeit des betreffenden Fahrzeugs ungefähr 30 Minuten. Die Rennfunktionäre platzieren dabei ein unabhängiges Temperaturüberwachungs-Gerät am hintersten Teil der Batterie, wo sich die Zellen theoretisch stärker erwärmen. Mit zunehmender Alterung der Zellen dehnt sich deren Körper aus, wodurch sich der Platz zwischen den einzelnen Zellen mit der Zeit so weit verkleinert, dass das Kühlen der Zellen im hinteren Teil der Batterie zu einer großen Herausforderung wird.

„Bei früheren Wettbewerben wurde Außenluft in das Innere der Batterie geleitet, um die Zellenkörper zu kühlen“, erläutert Miguel Lourenço, Chefingenieur für den Bereich elektrische Systeme beim FST Lissabon. „Insbesondere bei warmer Witterung kam die Temperatur während des Langstreckentests sehr nahe an den Grenzwert heran. Natürlich versuchen wir jedes Jahr, die Leistungsfähigkeit der Batterie im Langstreckentest zu verbessern, und sind im Interesse einer optimalen Performance bestrebt, ein Niveau von rund 40 °C nicht zu überschreiten.“

Für den Rennwagen dieser Saison wurde ein deutlich anderes Kühlsystem gewählt, das den vorigen Lösungen nur in geringfügigen Details ähnelt. Auf der Basis verschiedener thermischer Studien entschied sich das Team für das Kühlen der Laschen an den Pouch-Zellen, anstatt den gesamten Zellenkörper zu kühlen. Besondere Lufteinlässe an beiden Seiten des Fahrzeugs wurden so konstruiert, dass Luft in das Innere der Batterie gefördert wird, und zusätzlich wurden drehzahlvariable, vom Batteriemanagement-System (BMS) gesteuerte Lüfter in die Luftkanäle eingebaut. Des weiteren befindet sich an der Batterierückseite ein Lüfter, der die warme Luft aus der Batterie herausbefördert (Bild 1).


„Cool“ bleiben auf der Rennstrecke


„Cool“ bleiben auf der Rennstrecke
Bild 1. Darstellung des Batteriekühlsystems des FST Lissabon.

Batteriemanagement-System
Für das BMS werden die Murata-Sensoren neben den Laschen der einzelnen Zellen angelötet und im Interesse einer besseren Wärmeleitfähigkeit mit wärmeleitenden Kleber an der Oberseite befestigt. Zur Erfassung der Temperaturwerte befindet sich in jedem Segment der Batterie eine spezielle Leiterplatte, diefür das Erfassen von acht verschiedenen Temperaturen zuständig ist. Als Schaltung kommt hierfür ein einfacher Spannungsteiler zum Einsatz, während ein Mehrzellen-Überwachungsbaustein die gemessenen Temperaturwerte per SPI (Serial Peripheral Interface) an das Hauptmodul des BMS übermittelt (Bild 2).


„Cool“ bleiben auf der Rennstrecke
Bild 2. Die Schaltungen des Batteriemanagement-Systems im Überblick.

Die in den einzelnen Batteriesegmenten verwendeten Batteriemonitor-Bausteine verfügen über jeweils acht GPIO-Pins (General Purpose Input/Output), die alle der Temperaturerfassung dienen. Während ein Sensor die Temperatur der passiven Ausgleichskanäle der Zellen erfasst, dienen die sieben übrigen der Messung der Zellentemperatur. Dies ermöglichte es dem Team, die Temperatur von rund 60 % aller Zellen zu überwachen. Nicht zuletzt bot die Überwachung eines solch großen Teils der Zellen dem Team die Möglichkeit, bessere Erkenntnisse über die Genauigkeit der Kühlsimulationen zu gewinnen (Bild 3). Schließlich wurde hierdurch auch für Redundanz gesorgt: Sollte beispielsweise einer der Sensoren ausfallen, würde das System immer noch mehr als die geforderten 30 % der Zellen überwachen.


„Cool“ bleiben auf der Rennstrecke
Bild 3. Simulation des Kühlsystems.

Bei der Steuerung der Kühllüfter werden die höchsten Zellentemperaturen an jeder Seite der Batterie zugrunde gelegt, und ein Proportionalregler variiert auf dieser Basis die Drehzahl der Lüfter an der jeweiligen Seite mithilfe der PWM-Technik (Pulsweiten-Modulation).

„Mithilfe dieser Lüfter können wir den Luftdurchsatz auf beiden Seiten der Batterie individuell regeln“, so Lourenço. „Anstatt uns auf die natürliche Konvektionskühlung zu verlassen, die zu lokalen Überhitzungen im hinteren Teil der Batterie geführt hat, konnten wir so dafür sorgen, dass die Zellentemperaturen im gesamten Batteriesatz gleich waren.“

Kritische Fehler und Batteriezustand
Die Regularien verlangen außerdem nach der Möglichkeit zur Visualisierung der gemessenen AMS-Daten (z. B. der Temperatur) durch Anschließen eines Laptops an das Fahrzeug. Umgesetzt wird dies mithilfe eines speziellen Bausteins, der CAN-Frames in serielle Daten umwandelt, sodass das Team nach dem Anschließen eines Laptops sämtliche Daten visualisieren kann.

Allerdings muss das Team das Auto beim Auftreten eines Temperaturfehlers gemäß den Regeln binnen einer Sekunde abschalten. Mithilfe des CAN-Busses mit einem Durchsatz von 1 MBit/s wird der BMS-Status von den dezentralen BMS-Einheiten an eine spezielle Leiterplatte übermittelt, deren Aufgabe das Ansteuern der Statusmeldeleuchte ist. Wann immer diese Information nicht übertragen wird – sei es durch einen Übertragungsausfall oder durch verfälschte Daten – wird entsprechend reagiert, und das Leuchten der LED signalisiert den sicheren Betriebszustand des Systems.

„Wir haben uns nicht mit der SoH-Abschätzung (State of Health) der Batterie befasst, da dies gemessen an dem Nutzen für die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs insgesamt ein recht komplexes Thema ist“, ergänzt Lourenço. „Stattdessen setzten wir auf einen passiven Zellenausgleich, bei dem wir die Batterie von Zeit zu Zeit mit einer Puls-Entladetechnik entladen und die Zellenkapazität messen, um den Zustand des Batteriesatzes insgesamt zu ermitteln.“

Fazit
In dieser Saison bildete die Mitwirkung von Murata bei der Bereitstellung Automotive-tauglicher Sensoren und anderer Bauelemente für den Antriebsstrang ein entscheidendes Element des Entwicklungsprozesses. Das Team entschied sich für die Automotive-tauglichen Sensoren von Murata, weil wegen der geringen Toleranz dieser Bauteile auf die softwaremäßige Korrektur etwaiger Messfehler verzichtet werden konnte. Das Team konnte sich folglich näher an die Grenztemperatur von 60 % herantasten und die für den Langestreckentest erforderliche Verlässlichkeit erzielen. Die isolierten Zuleitungen erlaubten dem Team außerdem die Anbringung der Sensoren direkt an der Oberseite der Zellen, wobei zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit mit wärmeleitendem Kleber gearbeitet wurde. Dies sorgte für Flexibilität bei gleichzeitiger Vermeidung des Risikos von Kurzschlüssen.

„Dieses Jahr war ziemlich anspruchsvoll, was die Kommunikation innerhalb des Teams anging“, resümiert Lourenço. „Auch die Motivation spielte eine entscheidende Rolle, da einige Teammitglieder beispielsweise infolge von Reisebeschränkungen nicht so viel arbeiten konnten, wie sie es vielleicht gewollt hätten. Letztendlich hat es sich angesichts des finalen Ergebnisses aber durchaus gelohnt, die Opfer während dieser zwei langen Jahre zu bringen. Wir danken Murata für die erbrachte Unterstützung!“

www.murata.com

  Fordern Sie weitere Informationen an…

LinkedIn
Pinterest


Passwort vergessen?

Nehmen Sie an unseren 15000 IMP Followern teil

International