Einreichung. Höhere Technische Bundeslehranstalt - Linzer Technikum 8ABETE Paul- Hahn- Straße 4 A-4020 Linz

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1 Einreichung Höhere Technische Bundeslehranstalt - Linzer Technikum 8ABETE Paul- Hahn- Straße 4 A-4020 Linz Name des/r Einreichenden Herr Mülleder Christof Betreuer/Abteilungsvorstand Herr Dipl. Ing. Prigl Einreichendes Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik Thema Effizienzsteigerung Elektro-Roller RC-HPU 1

2 Eidesstattliche Erklärung Ich erkläre eidesstattlich, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt, keine anderen Hilfsmittel als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und alle aus ungedruckten Quellen, gedruckter Literatur oder aus dem Internet im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt übernommenen Formulierungen und Konzepte gemäß den Richtlinien wissenschaftlicher Arbeiten zitiert, durch Fußnoten gekennzeichnet bzw. mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe Datum Unterschrift der/des Schülerin/s 2

3 Projekt Kurzbeschreibung Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Energiespeichers der elektrische Leistung mit einer Energiedichte über das Maß konventioneller Systeme zur Verfügung stellt. Somit muss eine Einheit aus hocheffizienten Komponenten und Energiewandlern gefertigt werden. Als zweckmäßiges Einsatzgebiet wurde ein Elektroroller gewählt. Dieser Fahrzeug ist als ein Anwendungsfall zu betrachten. Etwaige Anwendungen wie elektrische Rollstühle oder fahrerlose Transportsysteme sind denkbar. Verfügbare Systeme bieten Reichweiten von 10 bis max. 25km pro Ladung an die jedoch mit Verbrennungskraftmaschinen nicht konkurrenzfähig sind. 3

4 Inhaltsverzeichnis Seite 5 Seite 6 Seite 7 Seite 8 Seite 9 Seite 10 Seite 11 Seite 12 Seite 13 Seite 14 Seite 15 Seite 16 Seite 17 Seite 18 Seite 19 Zielsetzung Anwendungsfall E-Roller Analyse E-Roller Pflichtenheft Prinzip Dimensionierung Brennstoffzellen-Stack Dimensionierung Tankvolumen Dimensionierung Lithium Polymer Akkumulator Zusammenfassung Dimensionierung Ausführung Analyse des Prototypen Technische Beschreibung Zusammenfassung Arbeitszeitplan Literaturverzeichnis 4

5 Zielsetzung Entwicklung und Fertigung einer RC-HPU (Recharge-HybridPowerUnit). Bestehende Energiespeicher (meist Bleiakkumulatoren) können durch die RC-HPU ersetzt werden. Vorteil: 6-fache Reichweite bei gleichem Gewicht. Standard RC-HPU 15km 100km 5

6 Anwendungsfall Technische Daten des Elektro Roller: Geschwindigkeit 20 km/h Bleigelakku s 24V / 21Ah 16kg Eigengewicht 44 kg max. Zuladung 110 kg Antriebssystem BLDC Motor (Bürstenlosergleichstrommotor) 24V / 400W 6

7 Analyse Erkenntnis: Mittlere Stromaufnahme 15,5A Mittlere Leistungsaufnahme 372W 7

8 Pflichtenheft Das Pflichtenheft umfasst eine Reichweite von min. 160km mit einer Ladung, wobei eine Strecke von 40km ohne Unterbrechung bzw. 100km pro 24 Stunden zu gewährleisten sind. Analysen von elektrochemischen Sekundärelementen (Akkumulatoren) weisen eine maximale Speicherdichte von 160Wh/kg bei Lithium Zellen auf. Für 160km Reichweite ist eine Kapazität von 2976Wh bei einem Gewicht von max. 16kg notwendig. Hierbei würde eine Energiedichte von 186Wh/kg benötigt werden. Um diese Energiedichte zu erreichen wird die RC-HPU aus einer Kombination aus Lithium Zellen und einer Direktmethanol Brennstoffzelle aufgebaut. Die Brennstoffzelle wird so ausgelegt das sie über einen Zeitraum von 24h den Energiehaushalt ausgleichen kann wobei das System die natürlichen Stillstandszeiten ausnützt. 8

9 Prinzip Das Diagramm beschreibt den Energieausgleich der RC-HPU im Zeitfenster von 24Stunden. 9

10 Auslegung und Dimensionierung der RC-HPU Bei eine durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 372W elektrisch werden bei einer Geschwindigkeit von 20km/h 1,89 kwh für 100km benötigt. Dimensionierung der Dauerleistung des Stack (Brennstoffzelle): E 24h 1890 Wh Fahrbtrieb Fahr 1 t Fahr 5 Ladebtrieb Lade 0.9 t Lade 19 P Stack E 24h P Stack t Fahr Fahr t Lade Lade W Ein Stack mit einer Nennleistung von ~ 85 W ist notwendig um den Energiehaushalt pro Tag auszugleichen. 10

11 Dimensionierung Methanolverbrauch Tanksystem I m 3.54 I p 65 BZ 0.4 U Nenn 24 I SE 0.4 t fz Hi X 60 Hi F I m I SE V t U Nenn F t fz 60 J l X 1 BZ X F V t 1.26 l l Wmin l min Es sind 1,26Liter Methanol pro 100km notwendig 11

12 Dimensionierung der Lithium Zellen Nennspannung Lithium Polymer Zelle U Zelle 3.7V U Nenn 25.9V n 7 U Nenn U Zelle n P Fa hrt 372W P BZ 85W P pe ak 1560W t 40km 2h I Fa hrt P Fa hrt U Nenn I Fa hrt A I pe ak P pe ak U Nenn I pe ak A E 24h 1890 Wh E Akku P Akku t 40km Nennkapazität Akku P Akku P Fa hrt P BZ E Akku E Akku U Nenn 574W h P Akku 287W I Akku P Akku U Nenn Nennkapazität Akku I Akku A 22.16A h Auslegung auf eine C3 Entladung 3h f C K Akku I Akku f C K Akku 33.24A h Es ist ein 7zelliges Lithium Polymer System mit min. 33,3Ah notwendig. 12

13 Zusammenfassung der Grundkomponenten für die RC-HPU Brennstoffzelle: Dauerleistung min. 85W Gewicht max. 8kg Abmessungen max. LxBxH 440mm x 180mm x 350mm (Recharge-Hybrid-Power-Unit) Tank: Chemiekanister Kunststoff min. 2Liter Gewicht max. 120g Abmessungen max. LxBxH 150mm x 100mm x 150mm Akkumulatoren: Nennspannung 25,9V Dauerstrom 11,08A Peakstrom min. 65A Gewicht max. 6,4kg Kapazität min. 33,3Ah Abmessungen max LxBxH 300mm x 150mm x 100mm 13

14 Ausführung Folgende Schritte wurden durchgeführt: Angebotseinholung und Prüfung der Angebote auf Konsistenz. Beauftragung von sieben Unternehmen mit der Lieferung der Komponenten. Aufbau des Prototypen. Parametrierung der Schaltnetzteile Analyse der RC-HPU im Prototypen Optimierung der RC-HPU 14

15 Analyse des Prototypen: 15

16 Technische Beschreibung und Listung der Anlagen Schaltregler Brennstoffzelle Stack Zellenstabel Brennstoffzelle 2 Liter Methanoltank Lithium Polymer Akkumulator BLDC Gleichstrommotor 400W Prinzipschema der RC-HPU 16

17 Zusammenfassung Laut der Analyse des Prototypen erfüllt die RC-HPU (Recharge-Hybrid Power Unit) sämtliche Anforderungen des Pflichtenheft. Das System nützt die Tatsache das 80% der Kraftfahrzeuge pro Tag 2 Stunden im Betrieb und 22 Stunden unbenutzt sind. Durch die Rechargefunktion in den Stillstandzeiten ist es möglich Speichersysteme mit extrem hohen Energiedichten zu realisieren sowie die Hardwarekomponenten auf ein minimales Maß zu reduzieren. Es wurde eine maximale Reichweite von 160km pro Tankfüllung realisiert das eine Reichweitensteigerung von 966% bedeutet. Die Funktionalität des System ermöglicht es einfach in z.b.. elektrisch betriebenen Rollstühlen oder anderen Anwendungen zu implementieren. 17

18 Arbeitszeitplan Gesamtstundenaufwand 668 Stunden 18

19 Literarisches Verzeichnis Internetverzeichnis: