08.07.2015 | Kubo Tech AG unterstützt ETH-Fokusprojekt SUNCAR Steer-by-Wire

Im Fokusprojekt SUNCAR arbeiten Studierende des Studienganges Maschineningenieurwissenschaften und Verfahrenstechnik der ETH Zürich an der Vision des autonom gesteuerten, umweltfreundlichen Fahrzeuges. Vor mehreren Jahrzehnten stellten sich die Menschen vor, dass man ab dem Jahr 2000 in schwebenden Autos unterwegs ist und keines dieser Autos von Menschen gesteuert werden muss. 14 Jahre danach hat sich die Welt der Mobilität nur wenig geändert. Weder schweben wir, noch fahren unsere Autos autonom. Weder nutzen wir nachhaltige Energien, noch dürfen autonome Fahrzeuge auf Schweizer Strassen fahren. Suncar will, dass dies in 25 Jahren anders aussieht.

In den letzten vier Jahren wurden bereits drei Fahrzeuge elektrifiziert. Begonnen hat alles mit der dem SUNCAR Sport, einem elektrifizierten Lotus Evora, der mit 250 kW auf der Hinterachse in 4.9 s von 0 km/h auf 100 km/h sprintet und damit zeigt, dass auch Elektrofahrzeuge Spass machen können. Zwei Jahre später wurde der SUNCAR Family gebaut. Ein Skoda Octavia, der mit einem Bioethanol Range-Extender bis zu 1000 km weit fahren kann und zusätzlich über ein Solardach verfügt. Letztes Jahr wurde eine 15 t schwere Baumaschine elektrifiziert, der SUNCAR Bagger, der lautlos und umweltfreundlich die Strassen bauen kann.

Kubo Tech unterstützt seit Jahren innovative Projekte der ETH Zürich und konnte auch bei diesem Projekt im Bereich Dichtungstechnik innovative Lösungen bieten.

Steer-by-Wire, eine zukunftsweisende Technologie

Das diesjährige Projekt, der SUNCAR Steer-by-Wire, beschäftigt sich mit dem Umrüsten eines BMW X5 auf Elektro-Einzelradantrieb mit Torque-Vectoring. Insbesondere soll eine Steer-by-Wire Steuerung implementiert werden. Das Torque-Vectoring soll als fehlertolerante Rückfallebene für diese neue Technologie dienen.

Beim Steer-by-Wire wird in einem Fahrzeug die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Vorderachse getrennt und durch eine elektronische Verbindung ersetzt. Dies hat Vorteile wie Platzeinsparungen, dass rechts- und linksgesteuerte Fahrzeuge baugleich werden und dass das Verletzungsrisiko des Fahrers bei Unfällen wird verringert. Mit Steer-by-Wire wird ein weiterer Schritt in Richtung autonomes Fahren, die Mobilität der Zukunft gemacht. Damit dieses System auch im Falle eines technischen Defekts weiter funktioniert, bietet sich das Torque-Vectoring als Rückfallebene an.

Durch den Einzelradantrieb lässt sich ohne zusätzliche Bauteile eine Torque-Vectoring  Lenkung implementieren. Dabei werden unterschiedliche Momente auf die einzelnen Räder gegeben. Besonders wichtig für das Lenken des Fahrzeuges ist die dadurch entstehende Präzessionskraft, durch welche die Vorderräder in Steuerrichtung eingelenkt werden. Die bereits vorhandenen Komponenten, die Motoren, als Sicherheitssystem des Steer-by-Wire zu nutzen ist eine einfache, kostengünstige und effiziente Lösung.

Die Batterie

Als Energiespeicher im SUNCAR Steer-by-Wire dienen 7104 Lithiumionenbatterien, die total 85 kWh Energie speichern können und ein Gewicht von rund 400 kg haben. Die einzelnen Batterien sind zu 16 Batteriemodulen zusammengeschaltet. Jedes dieser Module hat eine Spannung von 25 V. Die komplette Batterie hat vollgeladen eine Spannung von 400 V. Um die Gewichtsverteilung des Fahrzeuges zu optimieren, wurden die 16 Batteriemodule in einem L-förmigen Gehäuse untergebracht, so, dass sich ein Teil im Unterboden des Fahrzeuges, direkt der Strasse exponiert, und der andere Teil im Innenraum, am Platz der Rückbank befindet. Dafür wurde die Rückbank entfernt und ein Ausschnitt im Chassis geschaffen.

Die gesamte Batterie wurde auf einer 8 mm dicken Bodenplatte aus Aluminium montiert. So war die Batterie beim Zusammenbau von allen Seiten gut zugänglich, was die Montage extrem erleichterte. Nach der Montage und den Tests wurde die Batterie mit einer Haube aus Aluminium abgedeckt.

Die Verbindung der Bodenplatte und der Haube muss nach der Schutzart IP67 wasser- und staubdicht sein. Eindringendes Wasser hat in einer Hochvoltbatterie katastrophale Folgen. Hier konnte die Technikleitung der Firma Kubo Tech AG mit Herrn André Bitzer Unterstützung leisten. Mit einer exakt auf das Gehäuse angepassten Flachdichtung aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), einem Material, das im Fahrzeugbau sehr häufig verwendet wird, wurde die Dichtheit gewährleistet. Weiter befinden sich im Gehäuse drei Serviceöffnungen, damit das Innere der Batterie kontrolliert werden kann, ohne dass die ganze Batterie ausgebaut werden muss. Für die Dichtheit dieser Zugänge gilt die gleiche Dichtheitsvorgabe. Diese wurde ebenfalls mittels Flachdichtungen aus EPDM und zusätzlich mit dichtenden Unterlegescheiben erreicht.

Auch im Innern der Batterie wurden Teile von Kubo Tech AG verbaut. In der S-Box (Safety- oder auch Switch-Box) befinden sich sämtliche Komponenten, die es für die Überwachung und Steuerung einer Batterie braucht. Alle Komponenten der S-Box wurden auf einer Platte aus Polyoxymethylen (POM) mittels Einschlagmuttern befestigt. Diese Platte wurde von Kubo Tech AG genau nach Zeichnungen angefertigt, damit sie optimal im Gehäuse integriert werden konnte. Als Berührungsschutz der Hochvoltkomponenten wurden steckbare Trennwände konstruiert, welche zusätzlich mit Silikon verklebt wurden. Als Halterung für die Messelektronik auf den Batteriemodulen und die Fixierung von Hochvoltkabeln wurde ebenfalls POM verwendet. Dieser Kunststoff eignet sich hervorragend für den Bau von Batterien, da er ein elektrischer Isolator ist, eine hohe Festigkeit kombiniert mit hoher Zähigkeit besitzt und über einen weiten Temperaturbereich beständig ist.

Zum Abdichten des Ausschnitts im Chassis, der für den Einbau der Batterie nötig war, hat Kubo Tech AG Zellkautschukplatten gewählt. Mehrere aufeinander geklebte Schichten erlauben es, den abzudichtenden Raum genau aufzufüllen. Somit ist gewährleistet, dass kein Spritzwasser in den Innenraum des Fahrzeuges gelangen kann.

Ausblick

Bei einer Testfahrt auf dem Flugplatz in Mollis GL konnten bereits die ersten Meter gefahren werden. Ebenfalls ist es gelungen, die Vorderräder einzuschlagen, ohne dass der Fahrer das Lenkrad berührt hat – mittels Torque-Vectoring. Das Projekt SUNCAR Steer-by-Wire wird während eines weiteren Jahres fortgesetzt. Ziel ist es, das Steer-by-Wire und das Torque-Vectoring weiter zu verbessern. Im Frühling 2016, am Rollout an der ETH Zürich, wird das Projekt der Öffentlichkeit vorgestellt.