PowerKERS – Kinetic Energy Recovery System for Personal Cars

Synopsis:

Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Grundlagen eines langlebigen, leistungsfähigen als auch wirtschaftlich und ökologisch attraktiven Hochleistungs-Energiespeichers zur Verfügung zu stellen. Das Projekt umfasst die Entwicklung möglicher Lager-und Sicherheitskonzepte sowie der elektromechanischen Energieumwandlung eines mechanischen Schwungradspeichers beim Einsatz als Hochleistungs-Energiespeicher in PKWs.

Kurzbeschreibung

Abbildung 1: Mehrkörperdynamische Simulation der Fahrzeuganbindung eines Schwungradspeichers

Aktuell verursacht der Straßenverkehr etwa 20% der gesamten CO2 Emissionen der Europäischen Union, rund zwei Drittel stammen dabei von PKWs. Gerade in diesem Bereich ist aufgrund des geringen Gesamtwirkungsgrades konventioneller PKWs (etwa 18% für den Neuen Europäischen Fahrzyklus) eine deutliche Reduktion der Emissionen möglich. Ansätze dafür sind eine Hybridisierung von Fahrzeugen, womit theoretisch der optimale Wirkungsgrad aktueller Verbrennungskraftmaschinen erreicht werden kann (etwa 55% Emissionsreduktion), und der Einsatz von Elektrofahrzeugen, die im Betrieb vollkommen emissionsfrei sind. Verglichen mit konventionellen Fahrzeugen sind aktuell verfügbare Hybrid- und Elektroautos jedoch nicht konkurrenzfähig, primär da die verwendeten elektrochemischen Energiespeicher (Batterie, Supercap) die Anforderungen in Bezug auf Leistungs- und Energiedichte, Wirkungsgrad, Lebensdauer und Preis nicht erfüllen. Beispielsweise sind ca. 75 kg an Lithium-Ionen Zellen notwendig, um dieselbe Energie zur Verfügung zu stellen, die in einem Liter Dieselkraftstoff enthalten ist. Trotz intensiver Forschungsaktivitäten ist es nach aktuellem Wissensstand nicht möglich, eine Batterie zu entwickeln, die alle gestellten Aufgaben erfüllen kann.

Erst durch die Aufteilung in einen Energie- und einen Leistungsspeicher ist es möglich, ein konkurrenzfähiges Elektrofahrzeug zu entwickeln. Der Energiespeicher ist hierbei eine auf möglichst hohe Energiedichte optimierte Batterie, für den Leistungsspeicher bietet ein mechanisches Schwungrad die besten Eigenschaften. Bei einem Hybridfahrzeug wird nur dieser Leistungsspeicher benötigt, da der Großteil der Antriebsenergie entweder durch eine Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Auch aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht sind Schwungradspeicher zielführend, da sie ohne hohen Aufwand recyclebar sind. Zusätzlich enthalten sie lediglich Werkstoffe, die auch für eine Massenfertigung ausreichend verfügbar sind.

Im Rahmen des Projekts werden Realisierungskonzepte von Schlüsselkomponenten von Schwungradspeichern für den Einsatz im Individualverkehr erstellt. Geprüft werden speziell die Möglichkeiten der Lagerung zur Erfüllung der Lebensdauer unter den geforderten Randbedingungen, sowie die technischen Rahmenbedingungen (Wirkungsgrad, Leistung, Energieinhalt). Das Projekt umfasst demnach folgende Forschungsschwerpunkte:

  • Erfassung (Simulation, Messung) der elektrischen und mechanischen Belastungs-profile für Schwungradspeicher als hochdynamischer Energiespeicher im praktischen Einsatz eines Individualfahrzeugs.
  • Design und Optimierung des Lagers und der elektrischen Maschine des Flywheel-Systems unter Berücksichtigung der ermittelten Belastungsprofile.
  • Verhalten im Falle eines technischen Defekts bzw. Unfalls.
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Publikationen

  1. A. Buchroithner, A. Brandstätter und M. Recheis, “Determining loads of rolling element bearings in mobile flywheel energy storage systems”, IEEE Vehicular Technology Magazine, Volume: 12, Issue: 3, Seite 83 – 94, Print ISSN: 1556-6072, September 2017.
  2. M. Recheis, A. Buchroithner, I. Andrasec, T. Gallien, B. Schweighofer, M. Bader, H. Wegleiter, “Improving kinetic energy storage for vehicles through the combination of rolling element and active magnetic bearings”, 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2013), Wien, Österreich, November 2013.
Ansprechpartner
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Hannes Wegleiter
Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Tel.
+43 (316) 873 - 30512
Fax
+43 (316) 873 - 1030512
Sprechstunden
nach Vereinbarung
Steckbrief
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Projekttyp: Förderprojekt

Programm: FFG - Neue Energien 2020, 3. Ausschreibung

Laufzeit: 3 Jahre

Status: Abgeschlossen

Arbeitsgruppe: Energy Aware Systems

Partner
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  • FH Joanneum GmbH
  • Institut für Maschinenelemente und Entwicklungsmethodik (TU Graz)
  • Virtual Vehicle GmbH
  • Technsiche Universität Wien