Auto/Motor

Es ist ein historischer Moment für das Formula Student-Team (FaSTDa) der
Hochschule Darmstadt (h_da): Nach entbehrungsreichen Pandemie-Monaten
haben die Studierenden ihren zwölften und zugleich letzten Verbrenner-
Rennwagen fertiggestellt, bevor es ab 2022 elektrisch auf die Rennstrecken
geht. Der Weg zum „F20“ war Pandemie-bedingt hürdenreich: Mehrere
ungewollte Lockdown-Boxenstopps haben dazu geführt, dass der neue
Rennwagen ein Jahr später als geplant fertig ist. Für die Rennsaison 2021
sind die Studierenden dennoch zuversichtlich.

Der „F20“ war im vergangenen Frühjahr bereits halb fertig, das
studentische Team hatte schon mit der Fertigung begonnen – dann kam der
erste Lockdown. „Wir haben unser Teamleben zwar schnell komplett auf
online umgestellt, konnten aber mehrere Monate nicht in unsere Werkstatt“,
erläutert FaSTDa-Teamleiterin Leonie Schneider. „Als es dann im Sommer
besser wurde, durften wir mit Hygienekonzept vor Ort weiterarbeiten, doch
Ende 2020 kam dann kurz vor der Fertigstellung der zweite Lockdown.“
Spätestens da war klar: Das wird nichts mehr mit dem F20 in 2020.

Doch die Studierenden hatten sich davon nicht demotivieren lassen und in
Online-Konstruktionstreffen weitergearbeitet. „Wir haben die Gelegenheit
genutzt und uns alle Einzelteile noch einmal genau angeschaut“, sagt
Leonie Schneider. „Es kamen viele kreative Ideen und unser Ziel war, noch
einmal alles aus dem Wagen herauszuholen, zumal es ja der letzte
Verbrenner ist.“ Der „F20“ ist mit 170 Kilogramm nun mehr als 10 Kilo
leichter als der Vorgänger. Alleine sechs Kilo gewannen die Studierenden
durch neue, kleinere Reifen mit leichten Magnesiumfelgen. „Wir haben
insgesamt leichtere, stabilere und zugleich zuverlässige Bauteile
eingesetzt, etwa eine Titan-Abgasanlage“, sagt Leonie Schneider. Mit 74 PS
ist der Rennwagen noch einmal 17 PS kräftiger, bei gleichem Verbrauch.

Selbstbewusst blicken sie daher auf die anstehenden Formula Student-Rennen
in Spanien und Tschechien, nachdem 2020 alle Rennen ausgefallen waren.
2019 waren die h_da-Studierenden derweil sehr erfolgreich, unter anderem
mit einem 2. Platz in der Effizienzwertung beim Rennen auf dem
Hockenheimring. In diesem Jahr peilen die Studierenden erneut eine Top-
Position an. Bis in den Sommer hinein feilen die Studierenden nun noch an
ihrem neuen Wagen und können sich dazu auch wieder in der Werkstatt
treffen – mit ausgeklügelten Sicherheits-, Hygiene- und Testkonzept, das
der h_da derzeit als Pilot für vergleichbare Präsenz-Laborveranstaltungen
mit Studieren-den dient.

Frischen Wind hat das FaSTDa-Team auch durch viele neue Studierende
bekommen. Die Mannschaft besteht derzeit aus 50 Studierenden aus 15
Studiengängen. „Gerade jetzt in der Pandemie ist das Engagement bei FaSTDa
ein guter Ausgleich“, weiß Leonie Schneider. Freitagsabends trifft sich
eine Taskforce, in der auch einmal Persönliches ausgetauscht wird,
ansonsten ist bereits der nächste große Schritt im Blick: Der „F22“, zwar
nicht der erste Elektrorennwagen des h_da-Teams, aber ab 2022 geht es nur
noch elektrisch auf die Rennstrecke.

„Für uns ist das ein großer Umbruch, denn wir arbeiten dann mit einer
komplett neuen Antriebstechnologie“, erklärt Leonie Schneider. Eingesetzt
werden Radnabenmotoren, die in allen vier Rädern unterkommen, in der
Formula Student inzwischen üblich, so viel verrät sie bereits. Der Motor
im Heck ist dann Geschichte, was sich unter anderem auch auf die
Aerodynamik und somit auch auf das Erscheinungsbild auswirken dürfte.
Zeitgleich arbeiten die Studierenden an einem autonomen System für ihren
Rennwagen, wobei sie von Teammitgliedern profitieren, die aus
Studiengängen mit Softwarefokus stammen.

„Die Teamleistung, die hinter diesem Rennwagen steht, kann man gar nicht
hoch genug herausheben. Trotz aller Widrigkeiten haben die Studierenden
mit riesiger Motivation und Professionalität am Projekt F20 gearbeitet und
es gleichzeitig geschafft, sich den Charakter einer studentischen
Initiative zu bewahren, der das Ganze so besonders macht. Es macht
wirklich große Freude, das miterleben zu dürfen,“ sagt Faculty Advisor
Prof. Dr. Florian Van de Loo vom Fachbereich Maschinenbau und
Kunststofftechnik, der das studentische Team betreut.

Hintergrund
Das FaSTDa-Team der Hochschule Darmstadt besteht aktuell aus gut 50
Studierenden aus 15 Studiengängen der Hochschule Darmstadt. Einige von
ihnen bringen einschlägige Vorerfahrungen aus technischen Berufen oder dem
semi-professionellen Rennsport in die Arbeit ein. Betreut und beraten wird
das Team von Prof. Dr. Florian Van de Loo und weiteren Kollegen vom
Fachbereich Maschinenbau und Kunststofftechnik. Das Rennwagen-Projekt wird
von einer Reihe von Unternehmen gesponsert. Eine Liste der beteiligten
Förderer und weitere Informationen zum Team und Projekt finden sich auf
der Projekt-Website https://fastdaracing.wordpress.com und auf Facebook
https://www.facebook.com/fastda

Am Pkw-Markt wirken derzeit ein mittel- und ein
langfristiger Mega-Trend. In den nächsten Jahren wird der Marktanteil der
E-Flotte massiv wachsen, begleitet von Vorgaben zur Verringerung des
Klimagasausstoßes. Zugleich steigt die Bedeutung elektronischer
Fahrassistenzsysteme, teil-autonomes und autonomes Fahren zeichnen sich
ab. Angewandte Forschung in der Zuse-Gemeinschaft bringt beide Trends
zusammen, um Autofahren weniger umweltschädlich zu machen. Teil 2 unserer
Serie zum Strommarkt der Zukunft.

Benötigt man für E-Pkw momentan einen Stromanschluss, erscheint das
Ladekabel in einer Zukunft autonomen Fahrens wie ein Relikt. Denn wenn das
Fahrzeug selbstständig unterwegs ist, sollte es auch das Aufladen ohne
menschlichen Eingriff meistern können. Ein Grund, warum Forschende des
Instituts für Automation und Kommunikation (ifak) im Verbundprojekt
FEEDBACCAR untersuchten, wie unter den Bedingungen der Energiewende
kabelloses Auf- und Entladen von E-Pkw, das induktive bidirektionale
Laden, künftig umzusetzen ist. „Wir konnten zeigen, dass nicht nur das
kabellose automatische Laden von E-Pkw, sondern auch das Zurückspeisen von
Batterie-strom aus solchen Fahrzeugen ins Stromnetz technisch problemlos
möglich sind“, erklärt ifak-Projektleiter Axel Hoppe. Die Projektpartner
testeten u.a. die vollautomatische Aufladung der Batterie und die
Rückspeisung von Ladestrom ins Stromnetz, auch aus der Ferne. „Mit der
Unterstützung durch Funklösun-gen wie WLAN oder zukünftig auch 5G konnten
wir dies optimal lösen“, erläu-tert Hoppe. Die Untersuchungen wurden mit
einer bidirektionalen induktiven Ladefunktion bis 11 kW durchgeführt,
welche im Laufe des Projekts in das Fahrzeug integriert wurde. „Sowohl die
Hochvolt- als auch für die Kommunikationsinfrastruktur spielten dabei gut
zusammen“, so Hoppe. Projektpartner des ifak waren der Autohersteller
Audi, der Zulieferer Zollner Elektronik sowie der Energievermarkter e2m.

Mehr als 90 Prozent Systemwirkungsgrad
„Anders als häufig angenommen ist das kabellose Laden annähernd ebenso
effektiv wie ein herkömmliches Aufladen mit Ladekabel, denn es werden
Systemwirkungsgrade, d.h. vom Netzanschluss bis zur Batterie, von mehr als
90 Prozent erreicht“, sagt Hoppe. Erzielt werden konnten die hohen
Wirkungsgrade u. a. durch die von den Projektpartnern entwickelten
interoperablen Spulensysteme als Basis für die effektive
Energieübertragung. Im Projektverlauf testeten sie verschiedene
Spulentypen und -anordnungen, um zu einer Beurteilung von deren jeweiligen
Vorzügen zu kommen, so hinsichtlich Einhaltung internationaler Standards
Platzbedarf, thermischem und elektrischem Verhalten sowie Wirkungsgrad.
Die Auswahl eines geeigneten Spulensystems ist dabei stark abhängig von
Fahrzeugtyp und äußeren Anforderungen an den Wagen.

Vom Fahrzeug zum Stehzeug
Weiterer Forschungsgegenstand von FEEDBACCAR: Welche Geschäftsmodelle
ergeben sich für Autofahrer oder Flottenbetreiber für die kabellosen
Stromer, die Elektrizität zurück ins Netz speisen können? Denn wenn die
Wagen geparkt sind, könnten die Fahrzeuge durch die automatische
Netzverbindung bare Münze am Strommarkt machen. Im Projekt, gefördert vom
Bundesumweltministerium, wurde allerdings deutlich, dass die aktuellen
Spielregeln am Strommarkt noch nicht reichen, um einer Vielzahl von Mini-
Einspeisern, wie es E-Autos wären,  eine preislich interessante und
bürokratiearme Chance zu geben. So sieht der Energiedienstleister e2m in
seinem Abschlussbericht zum Projekt gegenwärtig keine ökonomisch
tragfähige Geschäftsmodelllösung für Einzelkunden oder
Energiedienstleister. Faktoren sind einerseits das zu geringe
Erlöspotenzial sowie andererseits notwendige Investitionen in
Hardwarekomponenten. Attraktiv für Eigenheimbesitzer hingegen: In
FEEDBACCAR Szenarien konnte in Haushalten mit Photovoltaikanlage auf dem
Dach der Anteil des selbst verbrauchten Solarstroms von 34 auf 72 Prozent
erhöht werden. Die höchsten Anteile an Eigenverbrauch konnten erreicht
werden, wenn das Fahrzeug viel stand.

Solaranlage auf vier Rädern verlängert Reichweite
Eine fahrende Solaranlage ist hingegen die Grundidee im Forschungsprojekt
STREET, an dem das Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH)
maßgeblich beteiligt ist. Entwickelt wurde ein Kleinlaster mit
Solarstrommodulen auf dem Dach und an der Seitenverkleidung auf einer
Gesamtfläche von 15 Quadratmeter (qm). Den von den Spezialmodulen
produzierte Strom kann das E-Lieferfahrzeug direkt verwenden. Das ISFH
rechnet bei dem Kleinlaster, einem Streetscooter, durch die Nutzung des
Solarstroms auf der Karosse mit einer jährlichen Reichweitenverlängerung
von ca. 5.200 km bei Fahrten in Niedersachsen und noch deutlich mehr in
südlicheren Regionen. Die in Europa entwickelte Technologie ermöglicht
laut ISFH nicht nur maximale Zell- und Modulwirkungsgrade, sondern durch
einen geringeren Temperaturkoeffizienten auch maximale Modulerträge.
„Autonomes Fahren heißt bekanntlich fahrerlos. Doch lässt es sich im
übertragenen Sinne auch als größere Unabhängigkeit verstehen. Die
erreichen wir mit dem STREET-Demonstrator schon heute“, erklärt
Projektkoordinator Prof. Robby Peibst.

„Mit dem Umstieg der Autobranche auf E-Fahrzeuge steigt der Strombedarf
für den Betrieb der Wagen, trotz ihrer großen Effizienz bei der
Energieumwandlung. Das macht die Wagen für den immer stärker von Wind- und
Solarenergie geprägten Strommarkt interessant. Institute der Zuse-
Gemeinschaft arbeiten erfolgreich an technischen Lösungen, um Autos in den
Strommarkt zu integrieren und ihren Klimagasausstoß zu verringern“,
erklärt der Geschäftsführer der Zuse-Gemeinschaft, Dr. Klaus Jansen.

Bevor automatisierte Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs sein können, muss
ihre Sicherheit gewährleistet sein. Dafür braucht es zahlreiche Tests in
der Simulation, denn nicht alle Situationen lassen sich im realen Verkehr
erproben. Im Projekt SET Level arbeitet das Fraunhofer LBF mit Partnern
aus Wirtschaft und Wissenschaft an einer effizienten
Simulationstechnologie. Diese soll flexibel für unterschiedliche
Anwendungen und Stufen in der Fahrzeugentwicklung einsetzbar sein, einen
nennenswerten Anteil von Fahrtests in die Simulation verlagern und damit
Freigabe- und Zulassungsverfahren absichern und verkürzen. Erste
Ergebnisse liegen vor

Erste praxistaugliche Lösungen wurden anhand von simulierten
Verkehrsszenarien am 29. April 2021 auf dem virtuellen Halbzeitevent des
Projektes vorgestellt. Mehr als 300 interessierte Besucher waren
gleichzeitig eingewählt. Das internationale Publikum bestand aus Fach- und
Führungskräften aus den Bereichen Automobilbau und -zulieferer, IT,
Simulation und Forschung.

Closed-Loop-Simulation bewertet Wechselwirkung von Fahrzeugsystem und
automatisierten Fahrfunktionen

Forschende aus dem Fraunhofer LBF stellten die Möglichkeiten vor, in einer
Closed-Loop-Simulation die Wechselwirkung von Fahrzeugsystemen und
automatisierten Fahrfunktionen in einer szenarienbasierten Testumgebung zu
testen. So können automatisierte Fahrfunktionen effizient mit
unterschiedlichen Antriebsträngen, Lenk- oder Bremssystemen mit
unterschiedlichen Fahrzeugeigenschaften erprobt werden. Durch spezifische
Schnittstellen können Systemmodelle aus Matlab/Simulink in die virtuellen
Prüfumgebungen eingebunden werden und dabei die Standardnachrichten des
ASAM Open Simulation Interface (OSI) implementieren. Dies ermöglicht es
dem Systementwickler, vollständig in seiner gewohnten Umgebung zu
arbeiten. Auf unterschiedliche Anforderungen des jeweiligen Systemtests in
Hinblick auf die Genauigkeit und Simulationsgeschwindigkeit wird innerhalb
der Closed-Loop-Simulation mit unterschiedlichen Detailgraden der
Teilmodelle reagiert. »So kann zum Beispiel ein Fahrzeug durch eine
einfache Kinematik dargestellt werden, um Routenplanung oder
Einparkmanöver zu testen, während für die Erprobung sicherer Spurwechsel
oder Ausweichmanöver auf der Autobahn ein komplexeres Modell der
Fahrdynamik und Aktorik eingesetzt wird«, erläutert Riccardo Bartolozzi,
Wissenschaftler am Fraunhofer LBF.

Herausforderungen für das sichere autonome Fahren

Vollautomatisierte (VDA Level 4) und fahrerlose/autonome (VDA Level 5)
Fahrfunktionen sind in den letzten Jahren weltweit ein Schwerpunkt der
Forschung und Entwicklung geworden. Sie gelten als vielversprechender
Lösungsansatz für die Herausforderungen straßenbasierter Mobilität: die
Steigerung der Verkehrseffizienz, Erhöhung der Verkehrssicherheit sowie
Emissionsreduktion. Eine Schlüsselrolle kommt dem Thema Absicherung zu. Da
bei Level 4- und Level 5-Systemen der Fahrer nicht mehr durchgängig und
innerhalb notwendiger Reaktionszeiten als Rückfallebene zur Verfügung
steht, muss die Automation alle erdenklichen Verkehrssituationen und
potenziellen Gefährdungen selbst abfangen und sicher behandeln.

Der Sicherheitsnachweis, dass die Automation dazu in der Lage ist, kann
aber mit heutigen Methoden weder mit Hilfe von Simulationen noch mit
Realfahrten erbracht werden. Bei SET Level sollen Simulationsplattformen
entwickelt werden, mit denen kostengünstig und flexibel automatisierte und
vernetzte Fahrfunktionen im städtischen Bereich getestet werden können.

Großforschungsprojekt des BMWi

Das deutsche Großforschungsprojekt SET Level ist Teil der PEGASUS-
Projektfamilie und läuft bis August 2022. SET Level vertieft die
Simulationsansätze auf breiter Basis und erweitert die Anwendung auf den
gesamten Verkehrsraum. Es wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie (BMWi) über das Programm „Neue Fahrzeug- und
Systemtechnologien“ gefördert. Insgesamt 20 Projektpartner aus Wirtschaft
und Wissenschaft arbeiten hierbei zusammen.

Projektpartner in SET Level: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
(ein Unternehmen der Continental AG), Audi AG, BMW AG, dSPACE GmbH, DLR-
Institut für Verkehrssystemtechnik, ETAS GmbH, Ford-Werke GmbH, Fraunhofer
LBF, FZI Forschungszentrum Informatik, IPG Automotive GmbH, MAN Truck &
Bus AG, OFFIS - Institut für Informatik, Opel Automobile GmbH, PROSTEP AG,
Robert Bosch GmbH, RWTH Aachen (Institut für Kraftfahrzeuge), TU
Braunschweig (Institut für Regelungstechnik), TU Darmstadt (Fachgebiet
Fahrzeugtechnik), Volkswagen AG, ZF Friedrichshafen AG.