Titelaufnahme

Titel
Konzeptvarianten für die Entwicklung eines elektr. betriebenen Rennwagens der Formula Student Electric unter Berücksichtigung des aktuellen Reglements
Weitere Titel
Concept variants for the development of an electrically operated racing car of the Formula Student Electric taking into account the current regulation
VerfasserKaiser, Markus
Betreuer / BetreuerinPetz, Andreas
Erschienen2017
Datum der AbgabeJuni 2017
SpracheDeutsch
DokumenttypBachelorarbeit
Schlagwörter (DE)Ansteuerelektronik / Antriebstechnologie / Batteriemanagementsystem / Batteriesystem / Elektromobilität / Elektromotor / E-Rennserie / Formula Student Electric / Formula Student Rules 2017 / Lithium-Ionen
Schlagwörter (EN)Ansteuerelektronik / Antriebstechnologie / Batteriemanagementsystem / Batteriesystem / Elektromobilität / Elektromotor / E-Rennserie / Formula Student Electric / Formula Student Rules 2017 / Lithium-Ionen
Zugriffsbeschränkung
 _
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit möglichen Konzeptvarianten für die Entwicklung eines elektrisch betriebenen Formula Student Rennwagens um damit bei der gesonderten Formula Student Electric an den Start gehen zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist es eine konzeptionelle Grundlage für das OS.Car Racing Team der FH Campus Wien zu sein, damit der angedachte Umstieg vom derzeit noch im Einsatz befindlichen verbrennungs-motorischen Antrieb auf einen rein elektrischen Antrieb leichter realisiert werden kann. Dazu wird im Zuge dieser Arbeit auf die für eine Elektrifizierung des Antriebsstranges essentiellen Komponenten wie der Batterie, dem Batteriemanagementsystem, der Leistungselektronik und auch dem Elektromotor, näher eingegangen. Alle vorgestellten Konzeptvarianten sowie auch technischen Lösungen werden stets mit dem Reglement der Formula Student abgeglichen und auf einen möglichen Einsatz in der FSE geprüft.

Die realisierbaren technischen Lösungen der einzelnen elektrischen Komponenten des Rennwagens werden jeweils in Form von Bewertungsschemata hinsichtlich ihrer Stärken aber auch Schwächen bewertet und gegenübergestellt. Darüber hinaus werden Konzept-varianten sowie technische Lösungen anderer, bereits etablierter FSE-Rennteams bzw. auch technische Lösungen aus dem klassischen Elektro-Kraftfahrzeugbereich betrachtet und hinsichtlich eines möglichen Einsatzes in einem FSE-Rennwagen skaliert.

Im ersten Kapitel dieser Arbeit wird dazu mit einer formalen Übersetzung aller wesentlichen Punkte des Reglements, welche den FSE-Bereich betreffen, begonnen. Im Anschluss daran werden die ersten Vorüberlegungen getroffen und die Ausgangslage für eine Elektrifizierung des Antriebsstrangs dargestellt. Dabei wird vor allem auf die Änderung der Raumaufteilung bzw. auch auf die veränderten Massen der einzelnen elektrischen Komponenten eingegangen.

Nach diesen ersten allgemeinen Überlegungen zum Rennwagen werden die einzelnen elektrischen Antriebsstrangkomponenten näher betrachtet. Die erste Technologie dazu ist das Batteriesystem. Dabei werden Batteriesystemtechnologien sowie die Bauformen möglicher Akkuzellen auf deren Vor- sowie Nachteile verglichen. Darauf folgt eine detaillierte Beschreibung des Batteriemanagementsystems sowie dessen Funktion in einem FSE-Rennwagen. Bei der Leistungselektronik, welche die Schnittstelle zwischen der Batterie und dem Motor darstellt, wird ebenfalls dessen Funktion im Rennwagen beschrieben. Zudem wird auch das komplette Umfeld der Leistungselektronik mit den darin befindlichen Wechselrichtern näher erläutert. Die abschließende Komponente des elektrischen Antriebsstrangs ist der Elektromotor. Die gängigsten Motortypen sowie auch mögliche Antriebskonzepte im Bereich der FSE werden in Bezug auf deren Vorteile bzw. Nachteile gegenübergestellt und auch bewertet.

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis deals with possible concept variants for the development of an electrically powered Formula Student race car to be used in the separate Formula Student Electric class. The goal of this thesis is to be a conceptual basis for the OS.Car Racing Team of the FH Campus Wien for the transition of the currently used internal combustion engine to a purely electric motor drive. The essential components for the transition to an electric drive train are discussed in more detail in the course of this work. Such components include the battery, battery management system, control electronics and the electric motor. All presented concept variants are always compared with the current regulations of the Formula Student and tested for a possible application in the FSE.

The realizable technical solutions for the individual electrical components of the racing car are assessed by comparing their strengths and weaknesses. Additionally, concept variants and technical solutions from other established FSE racing teams and also technical solutions from classic electric mobility are scaled and evaluated with the aim of possibly adapting them to be used in an FSE race car.

A formal translation of all relevant Formula Student regulations concerning the FSE can be found in the first chapter of this thesis. Subsequently the first preliminary considerations are analyzed and a base scenario for the transition to an electric drive train is presented. This leads to the discussion of the change in the spatial distribution and the changed masses of the individual electrical components.

After these first general considerations regarding the racing car, the individual electric drive train components are analyzed in more detail. Starting with an analysis of advantages and disadvantages of battery system technologies and their construction types, followed by a detailed description of the battery management system and the functions of the battery management system in an FSE race car. The control electronics, which is the interface between the battery and the electric engine, is also described along with their function in the race car. Additionally, the complete environment of the control electronics with the installed inverters will also be explained in more detail. The last represented component of the electric drive train is the electric motor. The most common types of motors as well as possible drive concepts are compared and also evaluated to their advantages and disadvantages.