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Mit dem Solar-Rennwagen quer durch Australien

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit einem Solarauto 3000 km quer durch das australische Outback: Für das Solar Team Twente ist dabei nicht nur das aerodynamische Design wichtig. Sie wollten den Wirkungsgrad um 1% verbessern.

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Der Solar-Rennwagen „RED E“ des Solar Team Twente ist nicht nur leicht und ohne viel Widerstand. Mit einem um 1% verbesserten Wirkungsgrad will man den Sieg holen.
Der Solar-Rennwagen „RED E“ des Solar Team Twente ist nicht nur leicht und ohne viel Widerstand. Mit einem um 1% verbesserten Wirkungsgrad will man den Sieg holen.
(Bild: Yokogawa)

Einmal quer durch Australien: Mit einer Streckenlänge von 3000 km beginnt die World Solar Challenge in Darwin, im Norden von Australien, und geht dann einmal längst nach Süden bis nach Adelaide. Auf die Teilnehmer warten im Outback große Strapazen: Eine Anforderung an die Teilnehmer ist, dass sie vollkommen autark sind. An der Strecke selbst dürfen die Fahrer mit ihren Vehikeln kurz anhalten, um einzukaufen oder den Fahrer zu tauschen.

Seit ihrer ersten Teilnahme im Jahr 2005 und einem neunten Platz will das junge Team aus angehenden Aerodynamik-, Elektrotechnik-, Maschinenbau- und Bauingenieuren der University of Twente und der Saxion University of Applied Sciences in den Niederlanden auf der Strecke dieses mal als Sieger hervorgehen.

Es kommt auf das aerodynamische Design an

Um die World Solar Challenge zu gewinnen, muss ein Rennauto so viel Solarenergie wie möglich produzieren und die erzeugte Energie mit maximaler Effizienz in mechanische Leistung umwandeln bzw. über die Räder auf die Straße bringen. Im gleichen Zuge müssen aber auch Energieverluste auf ein Minimum reduziert werden: So achten Rennteams minutiös auf das aerodynamische Design, um den Luftwiderstand so klein wie möglich zu halten.

Im Fall des Rennwagens „RED E“ vom Solar Team Twente entspricht beispielsweise der gesamte Luftwiderstand des Wagens dem des Außenspiegels eines herkömmlichen Autos. Im Rennen selbst muss der Fahrer so schnell wie möglich, jedoch nicht so schnell fahren, dass die Batterie vollständig entladen wird, sobald er sich nicht mehr im direkten Sonnenlicht befindet.

Die vier wichtigsten elektrischen Systeme

In einem Solar-Rennwagen gibt es vier wichtige elektrische Systeme: Die Solarpanels und deren Anordnung, die Batterie und das Batteriemanagementsystem sowie den Wechselrichter, welcher den durch die Solarpanels erzeugten Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom für den Motor wandelt, und den Motor selbst. Das Team strebte dabei nach höchsten Wirkungsgraden von mehr als 99% in den verschiedenen elektrischen Systemen.

So erzählt der Elektroingenieur Rob Kräwinkel: „Wir waren auf der Suche nach einer Möglichkeit den Wirkungsgrad um 1% zu verbessern und uns damit einen Vorteil gegenüber den anderen Rennwagen zu verschaffen. Wenn man allerdings bereits eine Systemeffizienz von mehr als 95% erreicht hat, ist es sehr schwierig, diese weiter zu verbessern und noch bestehende Verluste zu eliminieren. Dazu muss man in der Lage sein, sich im Detail auch kleinste Spannungs- und Stromschwankungen anzusehen und dafür wird ein wirklich präziser und hochauflösender Leistungsanalysator benötigt.“

Präzise Leistungsanalyse notwendig

Um die erforderliche Genauigkeit und Präzision in den zwei Hauptanwendungen zu erreichen, entschied sich das Team „RED E“ für den Präzisions-Leistungsanalysator WT5000 von Yokogawa. Das Leistungsmessgerät sollte zuerst die Genauigkeit der verbauten Kraftstoffanzeige (ein Bordsensor) validieren, mit welcher fortlaufend der Ladezustand der Batterie gemessen wird. Die Aufgabe des Bordsensors ist es dabei, die Stromflüsse in die Batterie (von den Solarpanels) und aus der Batterie (zum Umrichter/Motor) zu messen.

Der gesamte Lufwiderstand des Rennwagens „RED E“ entspricht dem gesamten Luftwiderstand eines Außenspiegels eines herkömmlichen Autos.
Der gesamte Lufwiderstand des Rennwagens „RED E“ entspricht dem gesamten Luftwiderstand eines Außenspiegels eines herkömmlichen Autos.
(Bild: Yokogawa)

Durch Subtraktion der ausgehenden Stromflüsse von den eingehenden kann die Restladung in der Batterie berechnet werden. Um den Gesamtenergieverbrauch des Rennwagens bestmöglich einzustellen, müssen die verschiedenen Stromflüsse daher extrem genau und kontinuierlich gemessen werden.

Die zweite Hauptanforderung an den Leistungsanalysator bestand darin, die Systemeffizienz in jedem Entwicklungsschritt hochpräzise zu ermitteln. Dazu war die Messung der Ausgangsleistung an das Motorsystem, bestehend aus Wechselrichter und Motor, und der Eingangsleistung aus den Solarpanels nötig. Über die Division von Ausgangsleistung durch Eingangsleistung sollte der Wirkungsgrad für jede Änderung am Rennwagen ermittelt und aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen die Konstruktion anschließend schrittweise angepasst und verbessert werden. Nur durch eine extrem genaue Leistungsanalyse mit hoher Abtastfrequenz ließen sich die bereits sehr effizient arbeitenden Systeme weiter optimieren.

Wichtige zusätzliche Reichweite von 1 bis 2 km bei gleichbleibender Geschwindigkeit.
Wichtige zusätzliche Reichweite von 1 bis 2 km bei gleichbleibender Geschwindigkeit.
(Bild: Yokogawa)

Rob Kräwinkel bestätigt: „Erst durch die Analyse des Stromwandlers mit dem WT5000 Präzisions-Leistungsanalysator stellten wir fest, dass die verwendeten Stromsensoren zur Messung des erzeugten Eingangsstroms der Solarpanele einen zuvor unentdeckten Offset verursachen.

Aufgrund dessen war die Ladezustandsmessung der Batterie von vorneherein ungenau. Dadurch, dass wir jetzt in der Lage waren, den vom Wandler verursachten Offset zu kompensieren und die Ausgabe der Messergebnisse so anzupassen, dass eine höchstmögliche Genauigkeit erreicht wird, konnte dem Fahrer eine wichtige zusätzliche Reichweite von 1 bis 2 km bei gleichbleibender Geschwindigkeit verschafft werden.“

Das ist der Leistungsanalysator

Der Leistungsanalysator WT5000 von Yokogawa war ein wichtiges Messgerät für das Solar-Rennteam.
Der Leistungsanalysator WT5000 von Yokogawa war ein wichtiges Messgerät für das Solar-Rennteam.
(Bild: Yokogawa)

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%. Spannungen können bis Frequenzen von 10 MHz und Ströme bis 5 MHz gemessen werden. Die Wirkleistungsbandbreite ist außerdem im Handbuch mit garantierter Genauigkeit bis 1 MHz spezifiziert.

Mit der maximalen Abtastrate von 10 MS/s der A/D-Konverter mit 18 Bit lieferte der Leistungsanalysator dem Solar Team Twente sogar eine höhere Abtastrate zur Validierung des Bordsensors als benötigt. Sowohl numerische als auch grafische Messergebnisse von bis zu sieben elektrischen Leistungen und vier Drehmoment-/Drehzahlsignalen lassen sich dabei gleichzeitig auf einem Touchscreen darstellen oder auf einen Computer übertragen.

Leider muss das Team jetzt bis zur nächsten Bridgestone World Solar Challenge im Jahr 2021 warten, um den Traum zu verwirklichen. Bereits nach mehr als der Hälfte des Rennens lag „RED E“ mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 89,7 km/h an der Spitze und war auf dem Weg zum Sieg, als Mutter Natur eingriff. Der Rennwagen wurde irreparabel beschädigt, als eine sehr starke Seitenwindböe das Auto von der Straße und einen Hang hinunterdrückte, wo es sich letztendlich überschlug. Das Rennen im Jahre 2019 wurde daher vom Team Agoria aus Belgien mit der im Vergleich langsameren Durchschnittsgeschwindigkeit von 86,6 km/h gewonnen.

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