Schukat war nach der Projektvorstellung von der Motivation der Studenten überzeugt, und unterstützte die Studenten gerne mit Kondensatoren des Herstellers FTCap. Diese besitzen eine Kapzität von rund 2 F und liefern so die benötigte Kurzschweißleistung. Der verwendete Akku besteht aus mehreren modularen Blöcken, aufgebaut aus kostengünstigen 18650er Standard- Lithium-Ionen-Rundzellen mit 2.500 mAh (Bild 1). Diese versorgen vier Elektromotoren (je einer pro Reifen) über einen Wechselrichter im Antriebsstrang.

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Optimierung der Ladetechnik

Auch die Ladetechnik sollte optimiert werden. Denn bisher wurde der Fahrzeugakku über ein rund 25 kg schweres und teures Labornetzteil mit 600-V_DC-Ausgang und 10 A Ladestrom aufgeladen. Da die Teams selbständig zu den Wettbewerben anreisen und vor Ort im Zelt schlafen, um Kosten zu sparen, sollte die Ladetechnik kompakter, leichter und leistungsfähiger werden.

Zum einfachen Transport sollte die Ladetechnik in einen Rollkoffer eingebaut werden. Auch weitere Elektronik, u. a. auch zusätzliche Netzteile wie das kontaktgekühlte UHP-350-24 von Mean Well als Hilfsspannungsversorgung für zusätzliche Peripheriegeräte, sollten in dem Mean-Well-Koffer Platz finden. Der somit sehr begrenzte Bauraum erforderte ein kompaktes, und wegen der hohen Packungsdichte trotz vorgesehener Systemlüfter zur Entwärmung, ein effizientes Ladegerät mit möglichst geringer Verlustleistung.

Hochspannungsnetzteil dient als Ladegerät

Schukat entschied sich daher, das Team mit dem Netzteil CSP-3000-250 (Bild 2) von Mean Well zu unterstützen. Dieses kann sowohl als Hochspannungsnetzteil für z. B. Industrieanwendungen mit Konstantspannung, Konstantstrom-LED-Anwendungen oder, wie hier, als Ladegerät eingesetzt werden.

Das Netzteil liefert mit maximal 250 V_DC, hat einen Hochspannungsausgang und wurde in dieser Applikation in einer Reihenschaltung von drei Geräten verwendet. Durch die einfache Einstellung der Netzteile auf 200 V_DC Ausgangsspannung wurde die Anforderung von 600 V_DC Ladespannung und 12 A Ladestrom exakt erreicht – ausreichend, um die Akkus in gut 30 Minuten genügend zu laden.

Als Einzelgerät liefert die Netzteilserie eine Leistung von bis zu 3.000 W, im Parallelbetrieb mit drei Geräten bis zu 9.000 W und bietet dem eMotorsports-Team Cologne bei kommenden Re-Designs die Option für höhere Ladespannungen. Mit 92,5 Prozent Wirkungsgrad ist das Netzteil sehr effizient und lässt sich bis 55 °C Umgebungstemperatur im Elektronikkoffer mit der vollen benötigten Leistung betreiben. Gekühlt wird es über eingebaute, leise DC-Lüfter. Die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom lassen sich je nach Betriebszustand über eine Hilfsspannungsquelle individuell steuern. Eine zusätzliche Remote ON/OFF und das DC-OK-Signal bieten weitere Anwendungsflexibilität.

Schutz auch bei unbeabsichtigten Fehlern

Diverse Schutzfunktionen, wie Überlast-, Kurzschluss-, Überspannung- und Übertemperaturschutz, bieten auch bei unbeabsichtigten Fehlern in der Verdrahtung im Labor oder bei auftretenden Problemen bei den Wettbewerben den bestmöglichen Schutz.

Das Netzteil hat eine analoge Schnittstelle. Über weitere Optionen für zukünftige Re-Designs der Ladetechnik wurde gesprochen. So bieten andere Netzteile von Mean Well z. B. Optionen in Bezug auf integrierte digitale Schnittstellen was eine direkte Einbindung des im Projekt verwendeten CAN-Bus ermöglicht. Dies war hier allerdings nicht gefordert. Der größte Vorteil des CSP-3000-250 sind aber die reduzierten Einbaumaße und die Gewichtsersparnis, da jedes Netzteil nur 4 kg wiegt und mit 278 mm x 177 mm x 63,5 mm sehr kompakt ist.

Corona-Zwangspause, Lieferprobleme und andere Hindernisse

Aufgrund der Corona-Pandemie konnten Fahrzeug sowie Ladegerät jedoch nicht eingesetzt werden. Also fokussierte sich das Team rein auf die Ausarbeitung und Simulation neuer Konzepte. Beispielsweise wurde das Schweißgerät CNC-fähig gemacht.

Nach der Zwangspause ging es endlich weiter: Das Team entwickelte das Batteriemanagementsystem, entwickelte und bestückte jede Platine und programmierte die Software selber. Die 6,47-kWh-Batterie wurde von 576 auf 720 Zellen erweitert. Auch modernste Technologien wie Rekuperation mit einer Energierückgewinnung von mehr als 18 Prozent sowie autonomes Fahren wurden entwickelt, erprobt und in das Fahrzeug übernommen.

Spezialfelge war nich lieferbar

Obwohl das Team beim Rollout ein fertiges Fahrzeug präsentierte, konnte es am einzigen Wettbewerb in 2022 trotzdem nicht starten. Eine Spezialfelge, die den Elektromotor aus aerodynamischen Gründen völlig aufnimmt und umschließt konnte nicht geliefert und in der kurzen Zeit auch nicht ersetzt werden.

Daher arbeitete das Team weiter daran, Aerodynamik, Gewicht und Leistung des Wagens „emC23“ für die Saison 2023 weiter zu verbessern. Auch in Sachen Elektronik hat sich das Team für 2023 einige neue Ziele gesteckt: Geplant ist eine Integration der separaten RaceCapture und des verwendeten Raspberry Pi auf eine selbst entwickelte Platine. Zudem ist die Entwicklung eines Graphic User Interface (GUI) des Ladegerätes zur Darstellung wichtiger Informationen während des Ladevorgangs der Batterie vorgesehen. Der Akku verfügt bislang noch nicht über ein eigenes Cell-Balancing, was eine manuelle Sortierung von Zellen nötig macht. Um den aktuellen Ladestand darzustellen, müssen CAN-Daten von den individuellen Zellen und über den Allgemeinzustand der Batterie aufgenommen werden.

Steigende Kosten und gekürzte Sponsorengelder zwingen zum Rückzug

Trotz fertigem Rennwagen muss das Team nun die Teilnahme für 2023 zurückziehen: Aufgrund der Entwicklungen um den Krieg in Russland, der Inflation und sinkendem BIP sehen etliche Sponsoren von einer weiteren Beteiligung am Projekt ab. Auch die bislang beteiligte Fakultät der TH Köln kürzt überraschend die Gelder. Die internen Kosten sind durch die Preisentwicklungen stark gestiegen und können über das zur Verfügung stehende Budget nicht mehr getragen werden. So ist die Finanzierung der Saison nicht mehr gesichert. Das Rennteam wirbt nun bei anderen Sponsoren und Fakultäten der TH Köln um Beteiligungen, um ein komplettes Aus des Projektes über 2023 hinaus abzuwenden. (tk)

* Frank Stocker ist Field Application Engineer Power Supplies bei Schukat electronic.

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