RADNABENANTRIEB UND REKUPERATION BEIM FP410E

RADNABENANTRIEB UND REKUPERATION BEIM FP410EMit der Diskussion um CO2-Reduktion und der damit zusammenhängenden Frage nach alternativen

Antriebslösungen, speziell der Elektrifizierung von Fahrzeugen, kommen neue Herausforderungen auf

die Fahrzeugingenieure zu. Elektrische Antriebskonzepte bieten Potenziale, aber benötigen auch neue

Lösungen zur Integration und Adaption der einzelnen Systeme miteinander. Das WHZ Racing Team

Electric der Westsächsischen Hochschule Zwickau hat sich dieser Aufgabe angenommen, mit dem

Ziel, die Potenziale des elektrischen Fahrens bestmöglich auszunutzen.

FORMULA STUDENT ELECTRIC TECHNISCHE HIGHLIGHTS

72 Formula Student Germany November 2010

MOTIVATION

Die Elektrifizierung von Fahrzeugen bietet in vielerlei Hinsicht enorme Potenziale. Von zentraler Bedeutung für ein Antriebs-system sind vor allem eine hohe Dynamik, hohe Wirkungsgrade sowie eine hohe Leis-tung bei geringer Masse. Genau diesen Anforderungen kann der Radnabenantrieb (RNA) gerecht werden.

ENTWICKLUNG

Das Ziel war es, ein fortschrittliches, inno-vatives Antriebskonzept in die Realität

umzusetzen. Eine der ersten Ideen war ein Entwurf mit Radnabenmotoren und Allradantrieb. Dabei musste der Einfluss ungefederter Zusatzmasse am Rad sowie das Trägheitsmoment um die Rad- und Fahrzeughochachse untersucht und be-wertet werden. Um die Auswirkung der erhöhten Radmassen auf die Längs- und Querdynamik des Fahrzeugs abzuschät-zen, wurden Versuchsfahrten durchge-führt, bei denen an allen Rädern Zusatz-massen von jeweils 6 kg montiert wurden, wobei als Versuchsträger das Vorjahres-fahrzeug mit Verbrennungsmotor diente. Um Vergleiche ziehen zu können, muss-

ten Referenzzeiten bei gleicher Fahrzeug-masse ermittelt werden, wofür die Zusatz-masse schwerpunktnah im Fahrzeug un-tergebracht wurde. Als Fahrmanöver wurden zum einen der bekannte Skid-Pad-Parcours nach dem Formula-Student-Reglement gewählt und zum anderen ein Slalom-Parcours. So konnten auch Unter-schiede bezüglich verschiedener Fahrma-növer mit hohem Gleichmäßigkeitsanteil sowie hohen transienten Anteilen unter-sucht werden. Als Ergebnis standen mit den Zusatzmassen am Rad eine gleich-wertige Rundenzeit beim Skid Pad, eine langsamere Rundenzeit beim Slalom so-

ALEXANDER SAUTERist ver antwortlich für die Konstruktion des

Radnabenmotors und Planetengetriebes im Team Powertrain des WHZ Racing

Team Electric der FH Zwickau.

ANDRE LEHMANN ist Teamleiter Elektrik/Elektronik und

verantwortlich für die Entwicklung des Fahrdynamik-Steuergeräts und die Anpas-

sung der Leistungselektronik des WHZ Racing Team Electric der FH Zwickau.

SEBASTIAN FETHKEist Teamleiter Powertrain und verant wort-

lich für die Berechnung, Konstruk tion und Auslegung von Motoren und Getrieben des WHZ Racing Team Electric der FH Zwickau.

CHRISTIAN HENNIGist Teamleiter Chassis und verantwortlich für die Konstruktion und Auslegung des

Fahrwerks des WHZ Racing Team Electric der FH Zwickau.

AUTOREN

November 2010 Formula Student Germany 73

UNTERTHEMA FORMULA STUDENT GERMANY

MOTIVATION

All the potential, resting within the elec-trical driving system, offers a large number of different roots to develop an innovative power train concept. Of great relevance for power trains are high dy-namics, high efficiencies and also high power at a minimum weight. The wheel hub motor concept (in the following called RNA) fits exactly all of these re-quirements.

DEVELOPMENT

The major aim for the FP410e was, to let an innovative, forward-looking electric power train become reality. As a very first consideration, there was a concept con-sisting of a four-wheel drive with four-wheel hub motors. As this is really impor-tant in a concept like this, the influence of additional unsprung masses and, further-more, the moment of inertias around the vertical-axis of the car and the tire itself had to be analyzed. For estimating the in-fluence through longitudinal and lateral vehicle dynamics, test drives were carried out where additional masses of 6 kg had been mounted to each wheel. The test car was our last year’s combustion car. To get a comparable result, further test drives with the same additional mass, but this time, near the CG of the car and not in the wheels were carried out. The tests were driven in two different events, at first in the well known skid pad and at second in a slalom track. Thus, it was

possible to analyze differences between driving with almost steady state and also transient conditions. The results were equivalent times in skid pad, slower times in the slalom and a lazy, instable feeling by the driver with the masses at the wheels.

With these results, the power train con-cept has been worked out, whereby the four-wheel drive should be implemented. The requirements led to two main drives at the rear, positioned in the frame and two assist drives at the front, designed as wheel hub motors. With the hub motors, the main advantages of additional acceler-ation performance, better vehicle dynam-ics and recovering brake energy should be used. According to this, the mass of the RNA had to be not over 6 kg and should be positioned as central as possible in the wheel center. To fulfill these conditions and to get the needed power out of the motor, a permanent magnetic synchro-nous (PMSM) high revs motor with inter-nal rotor and planetary gear was chosen. The important parameters of the drive are shown in, 1.

There are many aspects which influ-ence the development of an electric drive, the main points to kept in mind to get the best wheel drive wanted, were the driving profile, the CG of the car, the overall mass including the driver as well as the factor representing rotating masses and the used tires. The car should have the same per-formance as the FP410, this year’s com-bustion car of the WHZ Racing Team. Therefore, it was necessary to reach an

acceleration time of 4 s at 75 m and a speed of 105 km/h. In consequence of the maximum acceleration, there is a dynam-ic weight transfer which leads to more weight on the rear wheels and less on the front wheels. By analyzing some tire data, it was possible to detect the maximum transferable forces on the wheels and with that the maximum transferable

WHEEL HUB MOTOR AND RECUPERATION OF THE FP410E

ALEXANDER SAUTER is Team Member Power Train,

responsible for the Design, of the RNA of the WHZ Racing Team Elec-tric of the UAS Zwickau (Germany).

ANDRE LEHMANN is Team Leader Electrics/Electronics,

responsible for the Development of the Vehicle Drive and Dynamic

Control Unit as well as the Adaption of the Inverters, of the WHZ Racing

Team Electric of the UAS Zwickau (Germany).

SEBASTIAN FETHKE is Team Leader Power Train,

responsible for the Development, Calculations and Design of Motors

and Transmissions, of the WHZ Racing Team Electric of the UAS

Zwickau (Germany).

CHRISTIAN HENNIG is Team Leader Chassis, responsible

for the Development, Design and Integration of the Suspension,

of the WHZ Racing Team Electric of the UAS Zwickau (Germany).

AUTHORS

With the discussion about carbon dioxide emissions and the question about alternative drive systems, especially

electric driving, new challenges for automotive engineers emerge. Electrical power train concepts offer a lot of

new potential but also need new solutions for integration and adaption of single systems with each other.

The WHZ Racing Team Electric of the University of Applied Sciences Zwickau took the challenge to build a fully

electric race car with the aim to take most advantage of the possibilities the electrical concept offers.

FORMULA STUDENT ELECTRIC TECHNICAL HIGHLIGHTS


wie das vom Fahrer beschriebene träge und instabile Fahrverhalten des Fahr-zeugs.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen erfolgte die Erarbeitung des Antriebskon-zepts, wobei der Allradantrieb weiterhin umgesetzt werden sollte. Dabei werden die Hauptantriebe an der Hinterachse als radnahe Motoren sowie die an der Vorder-achse als Radnabenmotoren in Form von Hilfsantrieben ausgeführt. Dadurch erge-ben sich eine bessere Längsbeschleuni-gung, eine Verbesserung der Fahrdynamik sowie die Möglichkeit, beim Verzögern des Fahrzeugs einen Teil der Bremsenergie zu rekuperieren. Dementsprechend sollte die Masse des einzelnen Radnabenantriebs nicht über 6 kg liegen und möglichst nahe an der Radachse konzentriert werden. Um diese Bedingungen zu erfüllen, sowie eine entsprechende Leistung aus der Elektro-maschine zu generieren, wird ein hochdre-hender permanenterregter Synchronmotor-motor in Innenläuferbauweise mit vorge-schaltetem Getriebe eingesetzt. Die wich-tigsten Parameter des eingesetzten Antriebs sind in 1 zusammengefasst.

Um den Radnabenantrieb auf die er -forderlichen Anforderungen bestmöglich abzustimmen, müssen die notwendigen Fahrleistungen sowie die Fahrzeugparame-ter der Schwerpunktlage, Fahrzeuggesamt-masse einschließlich Fahrer, Drehmassen-zuschlagfaktor und der verwendete Reifen berücksichtigt werden. Dabei soll der Elektrorennwagen seinem Pendant mit Verbrennungsmotor (FP410) bei den Fahr-leistungen nicht nachstehen, wofür eine Beschleunigungszeit von 4 s auf einer Wegstrecke von 75 m und einer Höchst-geschwindigkeit von 105 km/h angenom-men wird. Dabei kommt es infolge der Maximalbeschleunigung des Fahrzeugs zur dynamischen Achslastverlagerung, wodurch sich die Radaufstandskräfte an der Hinterachse vergrößern und die an der Vorderachse verringern. Unter Verwendung von Reifenkennlinien kann die maximal übertragbare Längskraft (Umfangskraft) eines Reifens an der jeweiligen Achse er-mittelt, und das maximale übertragbare Drehmoment bestimmt werden. Dement-sprechend wird die Übersetzung zwischen Elektromotor und Rad so ausgelegt, dass das mögliche Antriebsmoment am Rad gleich der Kraftschlussgrenze des Reifens ist, wodurch das Potenzial des Reifens op-timal ausgenutzt wird. Letztendlich muss

mit der zuvor ermittelten Übersetzung die erreichbare Höchstgeschwindigkeit aus der Motormaximaldrehzahl nachgewiesen wer-den, die gleich oder größer der erforderli-chen Höchstgeschwindigkeit sein sollte. Die Fahrzeuggesamtleistung wird ausge-hend von der Fahrzeuggesamtzugkraft fest-gelegt, welche aus der Summe der Einzel-

zugkräfte der Motoren gebildet wird. In 2 sind die Beschleunigungszeit auf einer Wegstrecke von 75 m sowie die Fahrzeug-gesamtleistung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggesamtmasse dargestellt.

Ausgehend vom Leistungsverlauf un-seres Vorjahresfahrzeugs über eine Refe-renzrunde, in diesem Fall die schnellste

1 Technische Daten des Radnabenantriebs Technical data of the wheel hub drive

2 Abhängigkeit der Leistung von der Fahrzeug-masse und Zeit Dependency of the needed power for a given time and vehicle mass

MOTOR SIEMENS 1FE1

Type Permanent magnetic synchronous motor (internal rotor)

Nominal voltage 350 V

Nominal power 5.4 kW

Maximum power 6.4 kW

Maximum torque 7.8 Nm

Maximum speed 16,000 rpm

Mass moment of inertia 0.00019 kgm2

Mass 2.8 kg

Cooling Water cooled

TRANSMISSION 2-STEP PLANETARY GEAR

Primary ratio 2.69

Secondary ratio 5.35

Total ratio 14.4

Mass 0.74 kg

WHEEL HUB DRIVE

Maximum torque 112 Nm

Maximum speed 1200 rpm

Total mass 4.9 kg


TECHNISCHE HIGHLIGHTS FORMULA STUDENT ELECTRIC

torque. According to this, the transmission ratio is calculated in the way, that the pos-sible drive torque is equal to the maxi-mum transferable torque of the tire using its optimum potential. On the other side, it was necessary to reach the required high speed of the car as a result of the maximum motor speed and the detected transmission ratio. The overall power of the car is given by the overall tractive force which is the sum of the single trac-tive forces of the motors. In 2 a graph of the acceleration time for a 75 m distance as well as the overall power in dependen-cy of the overall vehicle mass is shown.

For recuperation calculations, the energy consumption of our fastest endurance lap in Hockenheim 2009 was taken. As shown in 3, the area under the graph on the posi-tive y-axis gives the needed energy for driving and on the negative y-axis the re-sult is the possible energy which can be re-cuperated over the time. Because of the limited energy capability of the front mo-tors, they are not able to absorb all the brake energy. This fact had to be taken into account while calculating the needed bat-tery capacity. Therefore, the total energy was split due to the dynamic weight trans-fers, and then limited by the maximum power of the motors. In that way, it was possible to estimate the recuperation effi-ciency in an early concept period and cal-culate the battery capacity which is neces-sary for a 26 lap’s endurance.

DESIGN

The basis for our RNA is a motor devel-oped by Siemens which belongs to the 1FE1 series. The essential advantages of this motor are the low weight of 2.8 kg, relative to that the high power of 6.4 kW at 350 V and less installation space. Addi-tionally, there is water cooling as well as a temperature monitoring. With the system of Siemens, providing rotor and stator as single-to-buy-parts, the degrees of free-dom needed to design and adapt the housing and the components around the motor on our own was given. Integrated in the housing is, essentially, the ground plate, the housing around the motor as well as the sensor mounting in the final plate and the cover for this. Regarding the requirements for the mass, most of the parts are made by aluminum as long as they fit the strength requirements. By de-

signing the drive shaft, the main focus was set on reducing masses, and due to that, the inertias of the shaft. In a first version, the shaft should have gone out on both sides through the housing. For the requirement of a hollow shaft, and a limited diameter for the loose bearing by the inner stator diameter, it had to be re-designed. Therefore, the loose bearing got positioned in the shaft and the shaft got supplemented with another aluminum shaft for the sensor wheel. Thus, it was possible to design a hollow drive shaft for the given package. To come across with the requirements for the wheel revs and the maximum transferable torque, there should be designed a planetary gear which is integrated in the wheel hub. Af-ter designing the upright and choosing the wheel bearings, the available space for the planetary gear could be determined. In regard to the maximum speed of the motor with 16,000 rpm by 350 V and the desired wheel speed of 1200 rpm, the needed overall ratio is 13.3. Because of the limited space, it was not possible to realize this ratio with only one planet set. That is why it had to be a two-step plane-tary gear with an overall ratio between 13 and 14.5. In that case, the planet wheels in the first set were also the shafts for the planet wheels of the second set. An over-all ratio of 14.4 could be realized. Thus, the motor moment of 7.8 Nm at 350 V was converted up to 112 Nm on the wheel. All the requirements were achieved and beyond that, the calculated overall mass of 6 kg could be reduced to 4.9 kg.

INTEGRATION

The integration of the RNA includes the direct integration of the motor into the up-right as well as the whole unit into the car. The basic construction of the RNA is shown in 4. One main specification for the development was a design solution which allows driving the car without the RNA. This point has two important ad-vantages. One of them is the possibility, in connection with an easy to mount/dis-mount concept, to directly drive tests with and without motors to compare the driv-ing behaviour and get meaningful results about the benefit of the motors. The other advantage this concept offers is that it can be used as a backup solution. In develop-

ing Formula Student cars, the timetables are always really tough. Because of that, if there are problems occurring in the devel-opment of the RNA, it is possible to stop this project and drive only with the rear motors to loose not too much time with it.

One of the aims was to position the mo-tor axial to the wheel hub. Therefore, the hub design had to include the annulus gear through which the driving torque is transferred to the wheel. For transferring the torque between annulus gear and hub, we chose a bonded shrink connec-tion. The hub itself had to be designed in two parts to enable the assembling proc-ess. The main part of the hub includes the already mentioned annulus gear and the wheel bearing mounts. As the second part, an adapter had to be designed which enables the load transmission through the hub and on which the brake disc and the rim can be mounted. The hub and the adapter are connected with a cogging to ensure a reliable load transmission and an easy dismounting. The wheel bearings per wheel are two four-point contact thin sec-tion bearings. Based on the relative huge diameters because of the motors, it was difficult to find bearings which are strong enough for the given loads but are at the same time not too heavy. The above men-tioned bearings fulfilled the requirements with the disadvantage that they are quite expensive. But there are also advantages of these huge diameters. With this design it was possible, to get an upright with a satisfying stiffness also with small wall thicknesses and a weight of 658 g. Be-cause of the motor used with internal ro-tor, it was necessary that the upright also holds the housing of the motor and the stator within the housing. The housing was mounted to the upright by screw fit-ting and with a light interference fit. Thus, the requirement for a quick and un-complicated dismounting was given.

Another task was the integration of the RNA into the overall vehicle. Here, the main part was to analyze the available installation spaces to assure that there are no collisions between the RNA and the parts around it, like wishbones, toe rod or pull rod. The outer pickup points of the a-arms were positioned with the most possible space to each other to get an adequate distance to the wheel cen-tre. This had to be considered in the kin-ematic analysis as well as the steering le-



Endurance-Runde des WHZ Racing Teams im Wettbewerb 2009 in Hockenheim, 3, ergibt die resultierende Fläche unter dem Kurvenverlauf im positiven Wertebereich die notwendige Antriebsenergie und im negativen Wertebereich die mögliche Energie, die zurückgewonnen werden kann. Da das Leistungsvermögen der Hilfsantriebe an der Vorderachse begrenzt ist, können diese nicht die vollständige Bremsenergie aufnehmen. Um dies bei der Auslegung der Batteriekapazität zu berücksichtigen, wird die Gesamtleistung entsprechend der dynamischen Achslast-verteilung gesplittet und mit der Maximal-leistung des jeweiligen Elektromotors be-grenzt. Somit konnte in der Konzeptphase das Rekuperationsvermögen des Formula-Student-Rennwagens sicher abgeschätzt und die Batterie für eine Endurance-Dis-tanz über 26 Runden ausgelegt werden.

KONSTRUKTION

Die Basis des RNA stellt der von Siemens entwickelte Einbaumotor der Baureihe 1FE1 dar. Zu den wesentlichen Vorteilen dieses Motors zählen unter anderem die geringe Masse von nur 2,8 kg, die hohe Leistung von 6,4 kW bei 350 V und der geringe Bauraumbedarf. Darüber hinaus ist sowohl eine Wasserkühlung als auch eine Temperaturüberwachung vorgese-hen. Da der Motor als Einbaumotor aus-geführt ist, konnten hinsichtlich der kons-truktiven Gestaltung das Gehäuse und alle weiteren Komponenten dem Konzept an-gepasst werden. Das Gehäuse umfasst im Wesentlichen den Grundträger und die Umhausung des Motors sowie die im Ab-schlussdeckel integrierte Sensoraufnahme und deren Abdeckung. Um den Anforde-rungen bezüglich der Masse gerecht zu werden, wurde, soweit es die Festigkeit zuließ, hauptsächlich Aluminium einge-setzt. Bei der Gestaltung der Antriebswel-le lag vor allem die Reduzierung der Mas-se und des damit einhergehenden Mas-senträgheitsmoments im Fokus der Ent-wicklung. Da diese allerdings beidseitig aus dem Gehäuse herausgeführt werden musste und der Lagerdurchmesser des Loslagers aufgrund der Innenkontur des Stators begrenzt ist, hätte die Welle entge-gen des ursprünglichen Entwurfs nicht als Hohlwelle ausgeführt werden können. Aus diesem Grund wurde das Loslager in der Antriebswelle positioniert und diese

durch eine für das Sensorrad benötigte Aluminiumwelle ergänzt. Somit ließ sich bei gegebenem Package die Antriebswelle als Hohlwelle realisieren.

Um die zuvor genannten Auslegungs-kriterien bezüglich der Raddrehzahl und dem maximal übertragbaren Drehmoment umzusetzen, sollte ein Planetengetriebe entwickelt und in die Nabe integriert wer-den. Nach der konstruktiven Auslegung des Radträgers und der damit einherge-henden Festlegung der Radlager, konnte der für das Planetengetriebe verfügbare Bauraum bestimmt werden. Anhand der Maximaldrehzahl des Motors von 16.000/min bei 350 V und der gewünschten Rad-drehzahl von zirka 1200/min ergibt sich eine Gesamtübersetzung von 13,3. Durch den stark begrenzten Bauraum ließ sich ein Planetengetriebe mit nur einem Plane-tensatz nicht realisieren. Aufgrund dieser Tatsache, musste eine zweistufige Ausfüh-rung des Planetengetriebes umgesetzt

werden, welche sich in einem Bereich der Gesamtübersetzung von 13 bis 14,5 be-wegt. Hierbei dienen die Planetenräder des ersten Satzes gleichzeitig als Wellen für die Räder des zweiten Satzes.

Realisiert wurde eine Gesamtüberset-zung von 14,4. Dies ermöglichte, das Mo-tordrehmoment von 7,8 Nm auf 112 Nm an der Radnabe umzuwandeln. Somit konn-ten die gestellten Anforderungen an den RNA erfüllt und mit einem Gesamtgewicht von 4,9 kg sogar übertroffen werden.

INTEGRATION

Die Integration des RNA umfasste sowohl die direkte Einpassung des Motors in Rad-träger und Radnabe als auch die weiter-führende Integration ins Gesamtfahrzeug. Der grundlegende Aufbau des RNA ist in 4 ersichtlich. Eine wichtige Vorgabe bei der Entwicklung des RNA war eine konst-ruktive Lösung, welche es ermöglicht,

3 Energieverlauf einer Endurance-Runde in Hockenheim 2009 Energy consumption of one endurance lap in Hockenheim 2009

4 Explosionsdarstellung des RNA Exploded view of the wheel hub drive


TECHNISCHE HIGHLIGHTS FORMULA STUDENT ELECTRIC

ver. A first concept of pull rod actuated down positioned dampers had to be dis-missed because a collision with the RNA would not have been avoidable. The area between the upper and lower a-arm of-fered no space for a conventional actua-tion. In this case, we changed the con-cept to upward positioned dampers and pushrod actuated coming from the upper a-arm as shown in 5.

ACTIVATION AND CONTROL

To produce the needed three-phasing AC voltage for running the front motors sys-tem, a double motor module from Sie-mens is used. This module includes two separated inverters with 36 A maximum current and 9.7 kW maximum power per inverter in a compact design. To save ad-ditional weight, the inverters were inte-grated into a student built housing with a cooling plate on the ground and a light-weight cover. Thus, the component weight of one single inverter could be reduced to 1.1 kg. The inverters get their instructions of what they have to do by a control unit which is the processing unit for the power train electronics. The stu-dent-built Vehicle Drive and Dynamic Control (VDDC) unit, as shown in 6, is the central control unit for the whole car. Five main functions are combined within this unit which are safety functions for the car, communication gateway between control unit – VDDC – vehicle power sup-ply, basic controls of car activations, cal-culations of vehicle dynamics influencing parameters and the power distribution re-garding energy efficiency. The safety functions include a turn-on procedure strategy, monitoring of the pedal func-tions as well as monitoring of the battery and the inverter functions. Because of the available development time of only three months for the hardware, the control unit had to be built with a maximum flexibili-ty regarding the interfaces and the power of the unit. Due to that, for sufficient processing power and accuracy, a 32 bit digital signal processor from Texas Instru-ments was chosen. The integrated float-ing point processor allows calculating the complex parameters for the vehicle dy-namics in the required time. In the con-cept period it has been decided to use a bus system for communication and de-mand of the set-point between VDDC and

control unit/inverters. In industry appli-cations, there is no standard for CAN in-terfaces, so the CANopen interface, com-mon in automation engineering, was used. For that, a specific protocol had to be integrated. In this case it was helpful to have two independent CAN controllers in the digital signal processor. Thus, it is possible to build a single direct connec-tion with the power electronics and a sec-ond connection to get or send informa-tion with the vehicle power supply. In this way, the temporal communications between VDDC and the power electronics are better to estimate. The CAN link to the vehicle power supply was also being used as application interface and for soft-ware updates.

For a best possible use of the front motors, and due to that, of the energy recovery in combination with a continu-ous driving stability, the possible brake moment is calculated in dependency of steering angle and car velocity. Addition-ally to that, by measuring the pressure in the hydraulic brake system, the part of the mechanical brakes is also taken into account. The driver has also the possibil-ity to set up the brake force distribution and the maximum electrical brake mo-ment by different switches on the steer-ing wheel.

RESULT

As conclusion it can be said that the con-cept was completely implemented and some of the requirements were even ex-ceeded. The implemented electric control system offers a good basis for future im-provements. With that, one major aim, to build a solid fundament with an inno-vative electrical power train concept, was achieved and the insights can be used for the future. The motors demonstrated their functionality in different test drives and showed potential to significantly in-fluence the vehicle dynamics. However, at this point it has to be said that the full potential can only be generated with a complex electronically control strategy like torque vectoring. Then the addition-al mass in the wheel will be reasonable and bring an advantage in driving per-formance. Thus, with these experiences in mind, the main task for the next year will be to improve the vehicle dynamics control.



auch ohne die vorderen Motoren fahren zu können. Dies sollte zum einen die Möglichkeit schaffen, durch einfache Montage und Demontage direkte Verglei-che mit und ohne Motoren fahren zu kön-nen, um aussagekräftige Ergebnisse be-züglich des Nutzens der Motoren zu be-kommen. Zum anderen bietet dieses Kon-zept die Möglichkeit, im Falle auftretender Probleme mit dem RNA in der Entwick-lungs- oder Testphase, das Konzept vor-erst auf Eis zu legen, und nur mit den hinteren Motoren zu fahren.

Ziel war es also, den Motor mit Planeten-getriebe axial in der Radnabe zu posi tio -nieren. Dazu wurde die Radnabe so kon-struiert, dass sie das Hohlrad des Planeten-getriebes aufnimmt, über welches das An-triebsmoment an das Rad abgege ben wird. Für die Kraftübertragung zwischen Hohl-rad und Nabe wurde eine Press-Klebe-verbindung gewählt. Die Radnabe selbst musste zur Montage im Radträger zweitei-lig ausgeführt werden. Der Hauptteil der Radnabe umfasst die schon erwähnte Auf-nahme des Hohlrads sowie die Lagerung der Nabe im Radträger. Zusätzlich wurde ein Adapter benötigt, der wiederum eine Kraftübertragung von Nabe zum Adapter als auch die Bremsscheibenaufnahme so-wie die Felgenaufnahme ermöglicht.

Zur Verbindung von der Nabe auf den Adapter wurde eine Verzahnung konstru-iert, die eine zuverlässige Kraftübertra-gung sowie eine einfache Demontage des Adapters ermöglicht. Die Radlagerung wurde durch zwei Vierpunkt-Dünnring-lager realisiert. Aufgrund der sich erge-benden großen Durchmesser der Radla-ger durch die Mo toren, war es schwierig, Lager zu finden, welche gleichzeitig die hohen Lasten tragen und trotzdem nicht zu schwer werden. Die vorher genannten

Lager erfüllten diese Bedingungen mit dem Nachteil eines recht hohen Beschaf-fungspreises. Der große Durchmesser der Lagerung bietet aber auch Vorteile. Durch diese konstruktive Umsetzung ergab sich auch mit geringen Wandstärken eine zu-friedenstellende Steifigkeit bei einem Ge-wicht von 658 g des reinen Radträgers. Da der Motor als Innenläufer ausgeführt ist, musste der Radträger auch das selbstkon-struierte Gehäuse, in dem sich der Stator befindet, aufnehmen. Das Gehäuse wurde über Schraubverbindungen und eine leichte Presspassung an den Radträger angebunden. So konnte die Anforderung nach einer schnellen, unkomplizierten Demontage des Motors erfüllt werden.

Eine weitere Aufgabe umfasste die Inte-gration des RNA in das Gesamtfahrzeug. Hier mussten größtenteils Bauraumunter-suchungen angestellt werden, um sicher zu stellen, dass keine Kollisionen zwi-schen dem RNA sowie umliegenden Bau-teilen wie Querlenker, Spurstange oder Pullrod stattfinden. Die äußeren Querlen-kerpunkte wurden dafür mit größtmögli-chem Abstand zueinander in der Felge positioniert, um einen entsprechenden Abstand zum Radmittelpunkt zu erhalten. Dies musste genauso in der Kinematik-auslegung beachtet werden wie eine ent-sprechende Spurhebellänge zur Vermei-dung einer Kollision. Ein erstes Konzept bezüglich untenliegender Feder-/Dämpfer-einheiten und deren Aktuierung über Pull-rods, musste frühzeitig verworfen werden, da eine Kollision mit dem RNA nicht hätte vermieden werden können. In diesem Fall wurde das Konzept geändert und umfasste nun obenliegende Federn/Dämpfer sowie eine Aktuierung über Pushrods vom oberen Querlenker aus, wie in 5 zu erkennen ist.

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5 Vorderachse des FP410e im Schnitt Sectional view of the front axle

November 2010 Formula Student Germany

ANSTEUERUNG UND REGELUNG

Zur Erzeugung der zum Betrieb nötigen Drei-Phasen-Wechselspannung kommt ein Double-Motor-Modul von Siemens zum Einsatz. Dieses beinhaltet in kompakter Bauweise zwei getrennt voneinander an-steuerbare Umrichter mit je 36 A/9,7 kW Maximalstrom/-leistung. Hier wurde zur weiteren Masseeinsparung die Integration auf eine eigens konstruierte Kühlplatte (Wasserkühlung) sowie ein Fahrzeugge-samtgehäuse vorgenommen. Dadurch re-duzierte sich das reine Komponentenge-wicht auf 1,1 kg. Den Umrichtern ist eine Kontrolleinheit vorgeschaltet, welche die Recheneinheit der reinen Antriebselektro-nik bildet. Wie in 6 ersichtlich, ist die ei-gens konstruierte Vehicle Drive and Dyna-mic Control (VDDC) das zentrale Steuer-gerät des Gesamtfahrzeugs. In ihm wer-den im Wesentlichen fünf Funktionen vereint: Die Sicherheitsfunktionen des Fahrzeugs, das Kommunikationsgateway Control-Unit-VDDC-Bordnetz, die Grund-ansteuerung zur Fahrzeugbewegung, die Berechnung von fahrdynamischen Para-metern sowie die Leistungsverteilung in Bezug auf optimale Energienutzung. Zu den Sicherheitsfunktionen zählen eine Einschaltstrategie, die Fahrpedalüberwa-chung sowie die Überwachung von Bat-terie und Leistungselektronik. Durch die kurze Entwicklungszeit von drei Monaten für die reine Hardware, musste das Steu-ergerät sowohl in den Schnittstellen als auch in der Leistung so flexibel wie mög-

lich gestaltet werden. Um hier den Anfor-derungen an Rechenleistung und -genau-igkeit gerecht zu werden, kommt ein 32-Bit-DSP von Texas Instruments zum Einsatz. Der integrierte Fließkommapro-zessor erlaubt dabei, die komplexen Mo-delle der Fahrdynamikparameter, in der notwendigen Zeit zu berechnen. In der Konzeptphase wurde sich auf die Verwen-dung eines Bussystems zur Kommunika-tion und Sollwertvorgabe zwischen VDDC und Umrichtern/Kontrolleinheit festgelegt. Da für Industrieanwendungen keine reine CAN-Schnittstelle zur Kommuni kation standardisiert ist, wurde die in der Auto-matisierungstechnik verbreitete CANopen-Schnittstelle genutzt. Dazu wurde ein ent-sprechendes Protokoll inte griert. Hier er-weisen sich die zwei unabhängigen CAN-Controller des DSP als nützlich. Damit ist es möglich, eine einzelne direkte Verbin-dung mit der Leistungselektronik herzu-stellen und durch den zweiten Busan-schluss, Informationen aus dem Bordnetz zu bekommen oder an dieses zu liefern. Das zeitliche Kommunikationsverhalten zwischen VDDC und Leitungselektronik kann so besser abgeschätzt werden. Die CAN-Anbindung ins Bordnetz wurde au-ßerdem als Applika tionsschnittstelle sowie für Software updates genutzt.

Um den Einsatz der vorderen Motoren und damit die Energierückgewinnung op-timal zu nutzen und trotzdem ein hohes Maß an Fahrstabilität zu gewährleisten, wird das mögliche Bremsmoment dyna-misch über Geschwindigkeit und Lenk-

winkel berechnet. Außerdem wird über Bremsdrucksensoren im Hydraulikkreis-lauf der Einfluss der mechanischen Brem-se mit einbezogen. Zusätzlich hat der Fah-rer die Möglichkeit, über entsprechende Drehregler am Lenkrad, die elektrische Bremskraftverteilung sowie das maximale Bremsmoment zu beeinflussen.

FAZIT

Abschließend kann gesagt werden, dass das Konzept vollständig umgesetzt wurde und die Vorgaben in einigen Punkten so-gar übertroffen wurden. Auch die umge-setzte Steuerung der Motoren bietet eine gute Basis zur Weiterentwicklung. So wurde auch das große Ziel erreicht, mit einem zukunftsträchtigen Antriebskon-zept einen soliden Grundstein zu legen, auf welchen in den kommenden Jahren aufgebaut werden kann. Die Motoren ha-ben ihre Funktionstüchtigkeit in Fahrver-suchen unter Beweis gestellt und Potenzi-ale aufgezeigt, sowohl die Längs- als auch die Querdynamik signifikant beeinflussen zu können. Hierbei soll aber auch heraus-gestellt werden, dass das volle Potenzial dieses Antriebs erst genutzt werden kann, wenn eine komplexe Regelungsstrategie in Richtung Torque Vectoring vorhanden ist. Erst dann ist mit brauchbaren Vorteilen zu rechnen, welche die zusätzliche Masse im Rad rechtfertigen. Die Aufgabe für das nächste Jahr wird im Zusammenhang da-mit hauptsächlich in der Optimierung der Fahrdynamikregelung liegen.

6 Aufbau der Steuerung des elektrischen Antriebs Structure of the electrical drive control

FORMULA STUDENT ELECTRIC TECHNISCHE HIGHLIGHTS


DO

I: 10

.136

5/s3

5778

-010

-050

7-9

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Dipl.- Ing. (FH) Thomas Denhard

Prüfi ngenieur, Niederlassung Essen

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RADNABENANTRIEB UND REKUPERATION BEIM FP410E

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