Brennstoffzellen-Scooter Hydrofight erfolgreich beim Challenge Bibendum in Shanghai

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1 VDI-Tagung "Brennstoffzelle" am 27. und 28. Mai 2008 in Braunschweig Prof. Dr.-Ing. Hugo Gabele, Institut für Brennstoffzellentechnik (IBZ) Hochschule Esslingen Prof. Dr.-Ing. Ferdinand Panik, Institut für Brennstoffzellentechnik (IBZ) Hochschule Esslingen Dipl.-Ing. Martin Ziegler, Assistent IBZ Brennstoffzellen-Scooter Hydrofight erfolgreich beim Challenge Bibendum in Shanghai Das 2005 gegründete Institut für Brennstoffzellentechnik (IBZ), eine Kooperation der Fakultäten Fahrzeugtechnik, Versorgungstechnik, Maschinenbau, Grundlagen und Industriepartnern wie Daimler, Ballard, Nucellsys, etc. hat sich als eine bedeutende Einrichtung zur Forschung von mobilen und stationären Brennstoffzellen (BZ) etabliert. Mit modularen und didaktikgerechten Testständen werden im Sommersemester 2008 erstmals Laborübungen im Modul Alternative Antriebe der Fakultät Fahrzeugtechnik durchgeführt. Hierbei ist die Systemintegration von besonderer Bedeutung, sprich die Brennstoffzelle als wichtiger Bestandteil eines hybriden Antriebssystems mit elektrischem Energiespeicher und intelligentem Energiemanagement /1/. Durchschnittlich arbeiten über 40 Studierende pro Semester aktiv an IBZ-Projekten mit, sei es im Rahmen der Veranstaltung Simultaneous Engineering oder im Rahmen der studentischen Projektarbeiten. Einige dieser Projekte wurden bereits prämiert, beispielsweise der Ergolite Glider 2, der den Preis für das beste technische Gesamtergebnis eines Fahrzeuges mit alternativer Antriebstechnik beim Internationalen Challenge Bibendum in Paris gewonnen hat /2/ oder die Beteiligung am Aufbau des Rekordfahrzeugs Hysun 3000 (Weltrekord: 3000 km mit nur 3 kg Wasserstoff). Im November 2007 hat das IBZ mit Projektleiter Martin Ziegler am Challenge Bibendum in Shanghai teilgenommen, diesmal mit dem Brennstoffzellen-Scooter HydroFight. Die Entwicklung dieses Fahrzeuges soll im Folgenden näher betrachtet werden: Die Aufgabenstellung (Bild 1) verdeutlicht das ehrgeizige Ziel, den Brennstoffzellenantrieb ohne Nachteile hinsichtlich Gewicht, Bauraum und Fahrleistung zu realisieren.

2 Aufgabenstellung des Projekts "BZ-Scooter" Aufbau/Umbau eines elektrischen Rollers mit Brennstoffzelle, der neueste Technik demonstriert und folgende Eigenschaften vorweisen soll: Gleiches Gewicht wie vergleichbares Modell mit Verbrennungsmotor Gleiche oder bessere Fahrleistungen Gleiches Platzangebot, keine zusätzlichen Anbauten wie Koffer oder Topcase etc. (lediglich Sitzfach darf verwendet werden) Bild 1: Aufgabenstellung und Zielsetzung Ebenso ehrgeizig ist der Zeitplan (Bild 2), der für die gesamte Entwicklung nur 20 Monate vorsieht, wobei die einzelnen Arbeitspakete ausschließlich von Studenten bewerkstelligt werden. Zeitplan 2006/ / / / / / / / /12 Simultaneous Engineering Projektwoche Studentengruppe 1 - Demontage & Auslegung Studentengruppe 2 - Repackaging & Prototyping Studentengruppe 3 - Regel-/Steuerungstechnik Elektrifizierung erfolgreich, elektrisch fahrbereit Fertigstellung und erste Testfahrt Feinabstimmungen und Vorbereitung für China Teilnahme Challenge Bibendum 2007 Shanghai Rücktransport von China, Softwareoptimierung Bild 2: Zeitplan

3 Projektstart war im März In der Konstruktionswoche Simultaneous Engineering arbeiteten über 20 Studenten an einer Konzeptstudie. Nach ausführlicher Recherche fällt die Entscheidung auf das Fahrzeug Peugeot SeedFight 2 (Bild 3). Der Zeitplan zeigt ferner, wie mit Hilfe von 3 weiteren Projektgruppen das Fahrzeug soweit entwickelt wird, dass es im September 2007 getestet werden konnte. Gerade noch rechtzeitig, um im November 2007 am Wettbewerb Challenge Bibendum (Michelin) in Shanghai teilzunehmen. 2006/03 Sim.Eng Entscheidung für Peugeot Aprilia SR 50 LC Ditech Peugeot SpeedFight 2 Suzuki Katana R 50 50ccm Vespa ET2-50 Gilera Runner 50 Pure Jet Piaggio NRG Pure Jet 50 Bild 3: Auswahl eines geeigneten Fahrzeuges Das ursprünglich mit 50 ccm Verbrennungsmotor ausgerüstete Fahrzeug SpeedFight der Marke Peugeot wird sukzessive umgerüstet auf einen 3 kw Elektroantrieb (6 kw Boostbetrieb), der gespeist wird von einem 1,2 kw Brennstoffzellensystem (Nexa- Modul der Fa. Ballard) in Verbindung mit Lithium-Ionen-Akkus für den Hybridbetrieb. (Der im IBZ entwickelte Hybridantrieb für Leichtfahrzeuge wurde bereits ausführlich in /1/ vorgestellt.)

4 Bild 4 zeigt die vielen ausgebauten Komponenten des Fahrzeuges, sowie diejenigen Teile, die für den Betrieb mit Brennstoffzelle notwendig sind. Um alle Teile im Fahrzeug unterzubringen, musste das Nexa-Modul zerlegt werden und ein neues Package gefunden werden. Der Brennstoffzellen-Stack findet Platz im Helmfach, wobei Luftversorgung und Kühlung vollkommen neu adaptiert werden mussten. Insgesamt kann sich die Bilanz durchaus sehen lassen: Es werden zahlenmäßig mehr Teil ausgebaut als eingebaut. In Punkto Gewicht kann im Vergleich zum vollgetankten Fahrzeug mit Verbrennungsmotor sogar eine Gewichtseinsparung von 2 kg erreicht werden. Hinsichtlich des Volumens war ein Kompromiss notwendig, was die Verwendung des Helmfaches unter dem Fahrersitz betrifft. 2006/03 Konvertierung - Strategie/Bilanz Ausbau Verbrennungsmotor CVT-Getriebe (teilweise) Benzin-Tank Öl-Tank Kühler Wasserpumpe Motorsteuerung Zündspule Zündkerze Anlasser Vergaser 12V-Blei-Batterie Auspuff Katalysator Bilanz: Volumen = +17,6 Liter Gewicht = -2 kg (vollgetankt) Einbau Brennstoffzelle BZ-Zusatzsysteme Elektromotor Drehzahlsteller Hochleistungsakku Bordnetzakku CPU Impeller (Kühlung) H 2 -Tank Bild 4: Umbau des Fahrzeuges auf Brennstoffzellen-Antrieb

5 Bild 5 zeigt beispielhaft die Arbeit am zerlegten Fahrzeug, Elektronikkomponenten werden integriert und getestet. 2007/05 Integration der Elektronikkomponenten Bild 5: Integration der Elektronikkomponenten Am Ende hat sich das neue Fahrzeug rein äußerlich nicht verändert, mit einer Aus- Der Auspuff wird ersetzt durch eine Wasserstoff-Flasche mit einem Inhalt von 3 nahme: Liter (bei 200 bar), was eine Reichweite von ca. 40 km ermöglicht. Bild 6: Brennstoffzellen-Scooter HydroFight Beim Vergleich der Technischen Daten (Bild 7) fällt auf, dass bei nahezu gleichem Gewicht die Fahrleistungen im Boostbetrieb fast verdoppelt werden, was zu besonders

6 gutem Beschleunigungsverhalten führt. Die maximal erreichbare Geschwindigkeit wurde ebenfalls beibehalten bzw. 55 km/h gedrosselt. Auch die Energiebilanz kann sich sehen lassen. Dank des hohen Wirkungsgrades des Elektromotors (90 %), des guten Wirkungsgrades der Brennstoffzelle (50 %) und der Möglichkeit, Bremsenergie zurückzugewinnen, kann der Energieverbrauch gegenüber dem Original fast halbiert werden. Ein Wehrmutstropfen bleibt allerdings der Preis: Gegenüber dem kostengünstigen Original belaufen sich bei unserem Prototyp allein die Materialkosten auf ca Euro und liegen damit fast um den Faktor Zehner über dem Anschaffungspreis des Originals. 2007/07 Vergleich Original und BZ-Elektro Peugeot Speedfight - Motor 1-Zyl. 2-Takt 49ccm wassergekühlt - Leistung max. 3, min-1 - Vmax: 45 km/h - Sitzhöhe: 798 mm - Maße (L/B/H): 1540/700/1150 mm - Gewicht fahrbereit ca. 106 kg - Bremse (v/h): Scheibe/ Scheibe - Preis ca EURO Peugeot Hydrofight - Hybrid System 30V mit 1kW Brennstoffzelle und 5kW Li-Ion - Akkus - Leistung max min-1 - Vmax: 55km/h - Sitzhöhe: 805 mm - Maße (L/B/H): 1540/700/1150 mm - Gewicht fahrbereit ca. 104 kg - Bremse (v/h): Scheibe/ Scheibe+ elektr. Rückspeisung bis zu 4kW - Materialkosten ca EURO Bild 7: Vergleich der Technischen Daten Brennstoffzellenantriebe sind gegenüber rein Batterie elektrisch betriebenen Fahrzeugen hinsichtlich des Wirkungsgrades im Nachteil, da die Brennstoffzelle mit ihren 50 % Wirkungsgrad die Bilanz verschlechtert. Aus diesem Grund ist es besonders erfreulich, dass das Fahrzeug im Wettbewerb mit Batterie elektrisch betriebenen Fahrzeugen in der Gesamtwertung einen hervorragenden 2. Platz belegen konnte. Der Wettbewerb besteht aus mehreren Einzeldisziplinen (Bild 8). Dank der sehr guten Beschleunigungswerte wird das Fahrzeug mit dem 1. Platz in der Kategorie best acceleration ausgezeichnet. Weitere Auszeichnungen folgen für best handling, best driver 2-wheelers und den spezial design award (Bild 9).

7 2007/11 Zu absolvierende Disziplinen beim Challenge Bibendum 2x Beschleunigung 2x Geräuschmessung Vorbeifahrt 2x Handlingkurs mit Pillonen Rally 30km mit Zeitnahme an Streckenposten Bewertung der Effizienz Parade durch die Innenstadt von Shanghai, Presseveranstaltung (ohne Wertung) Bild 8: Einzeldisziplinen beim Challenge Bibendum 2007/11 Auszeichnungen für die Hochschule Esslingen 1.Platz best acceleration 1.Platz best handling 1.Platz best driver 2-wheelers Markus Munz 2.Platz overall results Hochschule Special Design Award Bild 9: Auszeichnungen für die Hochschule Esslingen

8 Für die Unterstützung seitens der Hochschule und der Fakultät Fahrzeugtechnik sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Dank gebührt auch den am Projekt beteiligten Studenten und nicht zuletzt Projektleiter Dipl.-Ing. Martin Ziegler, der in unermüdlichem Einsatz das Team zum Erfolg geführt hat (Bild 10) Bild 10: Hydrofight-Team der Hochschule Esslingen Publikationen zum Thema Leichtfahrzeuge mit alternativem Antrieb: /1/ Gabele, H.; Panik, F.; Ziegler, M.: Leichtfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb, 6th international colloquium fuels, , TAE Esslingen /2/ Gabele, H.; Panik, F.; Ziegler, M.: Ergolite Glider siegreich in Paris, VDI-Tagung "Innovative Fahrzeugantriebe" am 9. und 10. November in Dresden