1.0 Sprinter

Wie alles begann

VDE Elektro-Kart 1.0 - Sprinter
Unser erstes Kart (1.0 Sprinter)

Das Thema Elektromobilität ist im Zeichen knapper werdender Ressourcen brisanter denn je. Etliche Wettbewerbe drehen sich um das Gebiet „Elektrifizierung“, viele Ingenieure forschen an diesem aktuellen Thema.

Durch verschiedene Wettbewerbe (unter anderem bei der Elektromobilausstellung Aschaffenburg) wurde 2010 die Idee geweckt, ein Elektrokart zu bauen, das eine möglichst hohe Beschleunigung hat. Daher wurde ein Kart auf einen elektrischen Antrieb umgerüstet und umgebaut. Die Arbeiten am Rahmen und der Frage, wie die Komponenten grundsätzlich ausgelegt worden sein sollten, begannen im Frühjahr 2011. Die weiteren Arbeiten bis hin zum vollständigen Zusammenbau des Karts wurden im Sommer 2012 fertiggestellt, wodurch mit den Testfahrten begonnen werden konnte.

Unsere technische Idee

Die Grundidee war, ein Kart mit einem elektrischen Antrieb zu versehen. Soweit ist noch nichts Neues. Doch die Neuartigkeit unseres Projektes war, dafür 2 Motoren (2 Synchronmaschinen) einzusetzen und diese fahrphysikalisch präzise anzusteuern. Die vielen sich daraus ergebenden Vorteile sprechen dafür. Bei herkömmlichen Karts wird nur ein Motor verwendet und eine starre Hinterachswelle. Wir werden die Hinterachse mit zwei Motoren direkt am Rad realisieren.

Konstruktion des ersten Karts (Keilriemen und Motoren)
Zwei permanentmagneterregte Synchronmotoren treiben über zwei Keilriemen die Reifen an

Der in der Kurve anfallende Geschwindigkeitsunterschied durch die verschiedenen Kurvenradien zwischen innerem und äußerem Rad kann so berücksichtigt werden („Torque Vectoring“). Durch lenkwinkel- und geschwindigkeitsabhängige Motorsteuerung kann unnötiger Schlupf vermieden werden. Das bedeutet zum einen weniger Verschleiß und zum anderen erhöhte Performance. Anstatt ein Rad durchdrehen zu lassen, kann es die benötigte Seitenführungskraft für die Kurve aufbauen. Um diese Kraft- und Geschwindigkeitsverteilung zwischen den Motoren optimal zu Regeln, wird ein Stromrichter von uns im Rahmen einer Bachelor Arbeit darauf ausgelegt. Er berücksichtigt die Gas- und Bremspedalstellung, die Geschwindigkeit, sowie den Lenkwinkel. Mit diesen Daten errechnet er die optimale Leistungsverteilung (Geschwindigkeit und Moment) zwischen den Motoren und erlaubt sogar generatorisches Bremsen (Rekuperieren), welche im nachfolgenden Kart-Modell genutzt werden soll. Durch dieses Laden beim Bremsen wird keine Energie unnötig verschenkt, weniger Bremsenverschleißund längere Fahrzeiten sind das Resultat.

Eine weitere kleine Sensation ist der Energiespeicher, der nicht aus einem herkömmlichen Lithium-Ionen- oder Blei-Akku sondern aus einer Aneinanderreihung von fast 300 Doppelschichtkondensatoren, die den Motoren deutlich mehr Energie in kürzester Zeit liefern können als herkömmliche Akkumulatoren. Durch die hohe Stromfähigkeit erreichen wir eine enorme Beschleunigung. Die Anordnung der Kondensatoren, das Gehäuse, die Schutz- und Steuerelktronik sind alle speziell für das Kart von Teammitgliedern entwickelt worden.

Die Doppelschichtkondensatoren des ersten Karts
Die Doppelschichtkondensatoren des  Sprint-Karts

Zielsetzung

Mit unserem Elektrokart zeigen wir, dass Elektromobilität dynamisch ist und Spaß macht. Die Umwelt zu schonen, Spaß am fahren zu haben und dabei Kosten und Ressourcen zu schonen schließt sich nicht aus. Durch Einsatz einer intelligenten Regelung lässt sich genau das realisieren. Viele Nachteile die sich beim herkömmlichen Otto-Motor ergeben werden bei der E-Mobilität nie eine Rolle spielen (Drehzahlkeller, Turboloch, Ölwechsel,….).

Bisherige Erfolge

Das VDE-Kart gewann bei der Elektromobilausstellung EMA 2012 den 1. Platz in der Kart-Kategorie. Der Wettbewerb fand am 21. und 22. September in Nürnberg statt und wurde in zwei Teilgebiete aufgeteilt, zum einen gab es die Technikwertung und zum anderen die Fahrwertung. Die Technikwertung bestand aus Gesamtkonzept, innovative Konzepte (z.B. Torque Vectoring) und Einfallsreichtum. Die 50m-Beschleunigungsstrecke wurde in einer sensationellen Zeit von 3,63 Sekunden zurückgelegt.

Das Kart während der Fahrt in Nürnberg EMA
Das Sprint-Kart auf der EMA in Nürnberg

50m in 3,63 Sekunden – Video des Beschleunigungsrennens auf der EMA Nürnberg 2012

 

Im Video des Beschleunigungsrennens ist deutlich zu erkennen, dass das Kart Stabilitätsprobleme hat. Im Anschluss an das Renen haben wir eine Masterarbeit über eine Antriebsschlupfregelung (ASR) ausgeschrieben, diese wurde im Sommer 2013 erfolgreich abgeschlossen:

Beschleunigungstest mit Antriebsschlupfregelung (ASR): Das Kart bleibt dabei trotz unterschiedlichen Fahrbahnuntergründen stabil in der Spur.

 

Das Kart in Fakten

  • Maximalgeschwindigkeit: 140 km/h
  • 0-100 km/h in 3,5s
  • 2 E-Motoren
    • 2x 14kW (≙38PS) Dauerlast
    • 2x 20 kW (≙54PS) Boosten
    • Nenn-Drehzahl: 12.500 1/min
    • Maximal-Drehzahl: = 18.000 1/min
  • Energiespeicher
    • 288 Doppelschichtkondensatoren (DSK)
    • ausgelegt für Kurzstrecken-Sprints
    • Reichweite < 100m
  • Übersetzungsverhältnis 7,5
Übersicht über die Komponenten des Sprinter Karts
Übersicht über die Komponenten des Sprint-Karts