World Solar Challenge Leistungsmesstechnik verhalf Studenten zum Sieg

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Mit einem Solarmobil 2.500 km durch die Wüste von Marokko: Ein studentisches Team gewann den ersten Platz gewonnen. Geholfen hat dabei präzise Leistungsmesstechnik, um unter anderem die Kapazität der Akkus auszumessen.

2.500 km durch die Wüste: Das Team Twente konnte unter anderem mit präziser Leistungsmesstechnk den ersten Platz erzielen.
2.500 km durch die Wüste: Das Team Twente konnte unter anderem mit präziser Leistungsmesstechnk den ersten Platz erzielen.
(Bild: Yokogawa )

Eine Strecke von 2.500 km durch die marokkanische Wüste und über Berge: Das Solar Team Twente aus Belgien gewann Ende Oktober 2021 das harte Rennen in dem westafrikanischen Land. Die Studenten der Saxion University of Twente haben mit ihrem Solarmobil den ersten Platz errungen.

Dabei floss das gesamte Wissen in das Solarmobil. Mit dabei Studenten der Aerodynamik, Elektro- und Maschinenbau sowie Konstruktionsbau. Die Grundkonstruktion aller am Rennen beteiligten Fahrzeuge ist ähnlich: eine aerodynamische Flügelform, die mit Photovoltaik-Paneelen bedeckt ist, um das Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Die gewonnene Energie wird direkt an den Motor zum Antrieb der Räder geleitet.

So viel Solarenergie wie möglich

Damit ein Team das Rennen in Marokko gewinnen kann, muss ein Rennwagen so viel Solarenergie wie möglich erzeugen und den erzeugten Strom so effizient wie möglich in mechanische Leistung umwandeln. Gleichzeitig müssen die Energieverluste so gering wie möglich gehalten werden. Deshalb achten die Rennteams sehr auf das aerodynamische Design ihrer Fahrzeuge.

Bei RED E, wie der Rennwagen des Solar Team Twente heißt, entspricht der Gesamt-Windwiderstand dem Außenspiegel eines herkömmlichen Autos. Der Fahrer muss dann so schnell wie möglich fahren - aber nicht so schnell, dass der Akku des Autos leer ist, wenn es nicht Energie aus der Sonne tanken kann.

Vier wichtige elektrische Systeme

In einem Solar-Rennwagen gibt es vier wesentliche elektrische Systeme: die Solarmodule, den Akku und das dazugehörige Managementsystem, den Wechselrichter (Motorantrieb), der den Gleichstrom der Solarmodule in einen Dreiphasen-Wechselstrom für den Motor umwandelt. Schließlich den Motor selbst. Das Team strebte einen Wirkungsgrad von mehr als 99 Prozent für die Stromumwandlungskreise an.

In der Vorbereitung auf das Rennen mussten die Ingenieure des Teams den Motor, den Akku und das Energieerzeugungssystem verbessern, um auf der anspruchsvollen Wüstenstrecke vor den Konkurrenten zu sein.

Leistungselektronik präzise messen

Selbst kleine Verbesserungen haben einen großen Einfluss „Wenn alle Komponenten nur 0,01 Prozent besser sind als die der Konkurrenz, dann hat man schon einen Vorteil, bevor man die Startlinie eines Rennens erreicht", sagt Camiel Lemmens vom Team. „Dabei ist die Präzisionsmessung ein entscheidendes Element für unseren Erfolg."

Die Elektroingenieure des Teams arbeiten daher kontinuierlich daran, immer mehr Leistung aus den elektrischen Systemen des Fahrzeugs herauszuholen. Dazu gehört die Steigerung der von den PV-Zellen erzeugten Energiemenge und der Energiemenge, welche die Akkus speichern können.

Das Team hat sogar einen eigenen, robusteren und effizienteren Wechselrichter entwickelt, der die handelsüblichen Wechselrichter der konkurrierenden Teams ersetzt. Erste Erfahrungen machte das Team mit dem WT5000 Precision Power Analyzer von Yokogawa. Dieses Mal mussten sie vier entscheidende Aufgaben bewältigen.

Erstens sollte der Wirkungsgrad der PV-Solarzellen analysiert werden, damit das Team die Zellen mit der besten Spannungs- und Stromleistung auswählen konnte.

Die Speicherkapazität der Akkus

Eine weitere Aufgabe bestand darin, die Energiekapazität der Akkus zu messen und entsprechend auszuwählen. Außerdem musste das Team die Genauigkeit der Energieanzeige validieren. Dabei handelt es sich um einen bordeigenen Sensor zur Messung des Ladezustands des Akkus. Dieses System misst den Strom von den Solarzellen, der dann in den Akku fließt und den Strom, der aus dem Akku zum Motor fließt. Durch Subtraktion des Ausgangs vom Eingang kann es die Restladung des Akkus berechnen. Dazu müssen die Stromflüsse kontinuierlich präzise gemessen werden.

Die vierte Aufgabe bestand darin, die Leistungsabgabe des Motorsystems, einschließlich des Umrichters und des Motors selbst, bei einer Reihe von Leistungseingangswerten zu messen, damit das Team das Design verfeinern und seine Effizienz schrittweise verbessern konnte. Dies erforderte eine extrem genaue Leistungsanalyse mit einer hohen Abtastfrequenz.

Dazu sagt Rob Krawinkel vom Team: „Mit dem WT5000 entdeckten wir auch, dass die Stromsensoren im Schaltkreis der Kraftstoffanzeige einen Offset hatten, wodurch die Messungen des Ladezustands des Fahrzeugs von Natur aus ungenau waren. Indem wir den Offset kompensierten, konnten wir dem Fahrer bei einer bestimmten Geschwindigkeit eine wichtige zusätzliche Reichweite von einem oder zwei Kilometer aus dem Akku bieten”.

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Der verwendete Leistungsanalysator

Der Präzisions-Leistungsanalysator WT5000 kombiniert Messgenauigkeit mit Langzeitstabilität, Störfestigkeit und Flexibilität in einer modularen Bauform und bietet dem Anwender damit eine erweiterbare Messplattform für hochgenaue Leistungsanalysen mit einer garantierten Basisgenauigkeit von ± 0,03%.
Der Präzisions-Leistungsanalysator WT5000 kombiniert Messgenauigkeit mit Langzeitstabilität, Störfestigkeit und Flexibilität in einer modularen Bauform und bietet dem Anwender damit eine erweiterbare Messplattform für hochgenaue Leistungsanalysen mit einer garantierten Basisgenauigkeit von ± 0,03%.
(Bild: Yokogawa )

Für die Leistungsmessungen hat das Team auf Messtechnik von Yokogawa zurückgegriffen. Mit dem modularen und erweiterbare WT5000 bietet der japanische Hersteller eine spezifizierte Messgenauigkeit von ±0,03 Prozent. Die Messbandbreite beträgt 10 MHz für Spannung und 5 MHz für Strom, und die maximale Abtastrate von 10 MSamples/s übersteigt die Daten-Aktualisierungsrate, die für die Validierung des RED E Kraftstoff-Messsystems erforderlich ist.

Dank Isolierung, Störfestigkeit und den Filterfunktionen sind Anwender in der Lage, an bis zu sieben Eingängen des Leistungsanalysators gleichzeitig Messungen vornehmen und diese auf dem 10,1-Zoll-Touchscreen anzeigen.

Das Team konnte mithilfe des WT5000 sowohl einen eigenen Antriebsstrang sowie eigene Komponenten für das Solarmobil entwickeln. Das hat unter anderem zum Sieg 2021 beigetragen und soll auch bei der bevorstehenden World Solar Challenge 2023 wieder zu einem Sieg verhelfen.

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