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Pod „Bertrand Piccard“

Begeben Sie sich mit dem Swissloop Prototyp „Bertrand Piccard“ auf eine transformative Reise. Dieser visionäre Pod kombiniert modernste Technologien und zeitloses Design, um die Zukunft der Mobilität neu zu definieren. Bertrand Piccard verfügt über ein leichtes Carbon-Monocoque-Fahrgestell für optimale Festigkeit und Agilität. Das vakuumtaugliche Kühlsystem mit Phasenwechsel-Materialien sorgt für Spitzenleistung auch im Vakuum. Angetrieben von einem linearen geschalteten Reluktanzmotor (LSRM) der nächsten Generation erreicht die Kapsel auf der Hyperloop-Strecke von Swissloop beachtliche Geschwindigkeiten. Die kontaktlosen Führungsmodule ermöglichen eine kontaktlose Fortbewegung, minimieren den Energieverbrauch und sorgen für eine reibungslose Fahrt. Mit einem hochmodernen Li-Po-Batterie-Pack, das bis zu 250 A bei 800 V liefert, bietet Bertrand Piccard eine beeindruckende Beschleunigung und Leistung.

Das Herausragende an ihm ist seine Fähigkeit, der Schwerkraft zu trotzen und während der gesamten Reise in der Luft zu bleiben, was ein Maximum an Geschwindigkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit bedeutet. Der Swissloop-Prototyp von Bertrand Piccard stellt einen Sprung nach vorn im Transportwesen dar. Mit seinem zeitlosen Design, dem fortschrittlichen Antrieb und der reibungslosen Steuerung ebnet er den Weg für eine neue Ära des Reisens. Erleben Sie die nachhaltige Innovation mit Bertrand Piccard und erfinden Sie die Zukunft des Verkehrs neu.

Speziell für die neue Motortopologie wurde eine kostengünstige Strecke entwickelt, die die Kosten reduziert, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Die Zähne im mittleren Segment der Strecke bestehen aus einem ferromagnetischen Material, das die Leistung und Effizienz des Motors erhöht.
Der lineare geschaltete Reluktanzmotor unterstützt ein hybrides Antriebskonzept in Kombination mit streckenseitigen Boostern zur Beschleunigung. Der Reluktanzmotor ist ein kostengünstiger Motor, der für den energieeffizienten Langstreckenbetrieb bei hohen Geschwindigkeiten ausgelegt ist. Bei einem Gewicht von nur 51 kg bietet das optimierte Design Beschleunigungswerte von bis zu 1,6 g.
Für die vertikalen Schwebesysteme wurde eine hybride elektromagnetische Aufhängung (HEMS) entwickelt, während für die seitliche Führung eine einfachere elektromagnetische Federung (EMS) verwendet wird.
Im gesamten Pod wurden mehrere Sensoren verbaut, die Distanzen, Drücke, Ströme, Spannungen und Temperaturen verschiedener Komponenten messen und so eine umfassende Datenerfassung ermöglichen. Die Subsysteme für die Fahrzeugsteuerung, das Batteriemanagement, die Schwebetechnik und die Antriebssteuerung verarbeiten die gesammelten Sensordaten, um verschiedene Aspekte des Fahrverhaltens des Pods zu steuern und zu regeln.
Die Struktur des Pods aus kohlefaserverstärktem Kunststoff mit einem Aluminiumwabenkern bietet Befestigungspunkte für Subsysteme und beherbergt die gesamte Elektronik. Ausserdem verfügt sie über ein integriertes Kupfergeflecht zur Verringerung elektromagnetischer Störungen und präsentiert Partnerlogos.
Die Leistungselektronik für das Schwebesystem versorgt die Schwebe- und Führungsysteme mit Energie. Sie besteht aus einem selbst entwickelten SiC-MOSFET-Wechselrichter, der Ströme bis zu 20 A bei 800 V ausgelegt ist. Vier zweiphasige Module, die auf zwei abgeschirmte Boxen verteilt sind, steuern die Hybride Elektromagnetische Aufhängung (HEMS) und die Elektromagnetische Federung (EMS).
Insgesamt 24 Lithium-Polymer-Akkumodule (LiPo) in zwei Boxen liefern Ströme bis zu 250 A bei einer Spannung von 800 V. Ein selbst entwickeltes Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht kontinuierlich die Spannung, die Temperatur und die Isolation zwischen Hoch- und Niederspannungspotentialen.
Die auf Reibung basierende Druckluftbremse verwendet Tellerfedern, um unter allen Umständen eine sichere Abbremsung zu gewährleisten. Bei einem Betriebsdruck von 9 bar bietet das System eine nominale Bremsverzögerung von 2,1 g und im ungünstigsten Fall eine Bremsverzögerung von 0,6 g nur mit den Federn.
Die Leistungselektronik des Motors versorgt den linearen geschalteten Reluktanzmotor (LSRM) über einen selbst entwickelten SiC-MOSFET-Wechselrichter, der Ströme bis zu 150 A bei 800 V bewältigen kann. Drei Module, die auf zwei abgeschirmte Boxen verteilt sind, steuern die sechs Phasen des LSRM.
Der Deckel aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer bietet zusätzlichen Schutz, verbessert das aerodynamische Verhalten des Pods und bietet eine Plattform zur Präsentation unserer wichtigsten Partner. Er wurde mit der bewährten Methode für Leichtbaustrukturen hergestellt und in einem Autoklav bei 130 °C ausgehärtet.
Insgesamt 2,1 mF DC-Link-Kapazität werden von allen Leistungssubsystemen gemeinsam verwendet, um die Stromspitzen auf den Batterien zu reduzieren und die Spannungsversorgung zu stabilisieren.
Die Steuerelektronik für alle elektromagnetischen Systeme wird von zwei sehr ähnlichen Steuerplatinen übernommen. Bei beiden Systemen läuft der Stromregler auf einem FPGA, während die Regler für Antrieb und Schweben/Führung auf einem STM-Mikrocontroller laufen. Darüber hinaus ist die Fahrzeugsteuerung für die Koordinierung der Aktivitäten anderer Teilsysteme und die Bereitstellung einer Schnittstelle zur Außenwelt verantwortlich.
Das vakuumtaugliche Kühlsystem ist um ein zentrales Modul herum aufgebaut, das Phasenwechselmaterialien (PCM) zur Wärmespeicherung verwendet. Eine Pumpe und eine Wasserkühlschleife mit weichen Schläuchen werden verwendet, um die Wärme von den MOSFETs an das zentrale Modul zu übertragen. Dank dieses zentralen Ansatzes kann das heisse Vakuum-Kühlmodul schnell gegen ein neues Element ausgetauscht werden.

„Bertrand Piccard“ ist das beeindruckende Ergebnis der gemeinsamen Arbeit eines Teams von rund 38 talentierten Studierenden aus verschiedenen Hochschulen in der Schweiz. Während einer intensiven zehnmonatigen Saison, die im September begann, widmete sich eine Kerngruppe von sechzehn herausragenden Elektro- und Maschinenbauingenieuren dem Entwurf, der Herstellung, der Montage und den Tests dieses komplizierten Prototyps. Der gesamte Prototyp ist ein komplexes System mit zahlreichen Teilen, die alle miteinander interagieren.

Elektrisch

Der linear geschaltete Reluktanzmotor (LSRM) beschleunigt das Fahrzeug, indem er einen gepulsten Gleichstrom durch die Spulen des Motors schaltet. Wenn dies an der richtigen Position auf der Strecke geschieht, wird die Pod immer von den weiter vorne liegenden Zähnen angezogen, was zu einer kontinuierlichen Vorwärtsbewegung führt. Der Motor besteht aus 24 Spulen mit einem laminierten Kern und ist an der Unterseite des Monocoques montiert, um einen niedrigen Schwerpunkt zu erreichen. Der Wechselrichter ist das Bindeglied zwischen den Batterien und dem LSRM und regelt den Strom durch den Motor.

Die elektrischen Systeme sind im Wesentlichen in fünf Hochspannungs- und eine Niederspannungsbox unterteilt. Die Hochspannungsboxen enthalten insgesamt drei Leistungsmodule für das Antriebssystem und vier Leistungsmodule für das Schwebe- und Führungssystem. Jedes Antriebswechselrichtermodul steuert zwei Phasen des LSRM, das aus vier seriellen Spulen, die mit bis zu 150 A angesteuert werden, was zu Beschleunigungen von bis zu 1,6 g führt. Gleichzeitig steuert jedes Leistungsmodul für das Führungs- und das Schwebesystem eine elektromagnetische Aufhängung (EMS) für die seitliche Stabilisierung und eine hybride elektromagnetische Aufhängung (HEMS) für das vertikale Schweben an. Diese Spulen werden im Bereich von -20 A bis 20 A erregt und halten das Fahrzeug innerhalb eines Abstands von 0 bis 9 mm bzw. 5,5-17.5 mm zur Schiene für die EMS bzw. HEMS. Alle Stromregler verwenden einen toleranzbandbasierten Regler, der auf einem FPGA läuft, während der Positions- und Geschwindigkeitsregler auf STM32H7-Mikrocontrollern läuft.

Die Niederspannungsbox enthält die Fahrzeug-, Schwebe- und Antriebswechselrichtersteuerung sowie die Niederspannungsstromversorgung und befindet sich in der Mitte des Fahrzeugs. Die Batterien sind in einer Batteriebox vor der Niederspannungsbox integriert. Das gesamte Batteriesystem besteht aus bis zu 24 Lithium-Polymer-Batteriepaketen und hat eine maximale Spannung von 800 V. Diese Box enthält zusätzliche Elektronik, darunter das Batteriemanagementsystem (BMS), das für die Überwachung jeder einzelnen Batteriezelle zuständig ist, und ein Isolationsüberwachungsgerät (IMD), das die ordnungsgemässe Trennung der verschiedenen Potenziale gewährleistet.

Darüber hinaus ist das Fahrzeugsteuergerät für die digitale Integration des Pods zuständig. Dazu gehört das Sammeln von Daten aus den anderen Systemen und die Bestimmung des Gesamtzustands des Fahrzeugs über die verschiedenen, an einen der CAN-FD-Busse angeschlossenen Sensoren. Das Fahrzeugkontrollsystem ergreift dann Massnahmen auf der Grundlage dieser gesammelten Daten. Ausserdem stellt es eine drahtlose Verbindung zur Steuerungssoftware her, von der aus manuelle Steuerbefehle gesendet werden können.

Mechanisch

Das Fahrgestell ist komplett neu als Kohlefaser-Monocoque konzipiert. Dieses innovative Design sorgt dafür, dass alle Kräfte durch die vakuumtaugliche Kohlefaser-Sandwichstruktur sowie das darunter liegende Aluminiumskelett geleitet werden. Mit einem Gewicht von nur 21 kg bietet das Monocoque-Fahrgestell mit seinem Deckel eine aussergewöhnliche aerodynamische Leistung und ein futuristisches Aussehen. Der Pod verfügt über ein fortschrittliches Schwebe- und Führungssystem, das sowohl seitliche als auch vertikale Stabilität gewährleistet. Um die Sicherheit zu erhöhen, wurde eine neue Generation von Fahrwerkssystemen integriert, die vor Ausfällen des Schwebesystems schützen und Schienenversatz ausgleichen. Das System umfasst vier Räder, die die vertikale Bewegung des Pods begrenzen, während zahlreiche vertikale und seitliche Führungsräder als erste Kontaktpunkte in alle Richtungen dienen.

Sicherheit ist von höchster Wichtigkeit, daher wurden die Bremsen des Pods so konstruiert, dass sie in allen Szenarien eine zuverlässige Bremskraft gewährleisten und eine Abbremsung von bis mit 2,1 g ermöglichen. Ein pneumatisch betätigter Bremsmechanismus erzeugt die nötige Bremskraft, und eine redundante Konstruktion garantiert die Sicherstellung einer ausreichenden Bremskraft auch unter unvorhergesehenen Umständen. Tellerfedern, die ständig komprimiert werden und sich auch ohne Strom- oder Luftzufuhr lösen können, sorgen für zusätzliche Redundanz. Ein weiteres Highlight dieses Prototyps sind die innovativen Energierückgewinnungsmöglichkeiten. Der Pod verfügt über eine Motorarchitektur, welche die Rückgewinnung von Energie unterstützt und somit das mechanische Bremssystem ergänzt. Zusammen mit der eigens entwickelten Elektronik, ist der Pod in der Lage, über den Motor mechanische Energie zu rekuperieren.

Um die Kühlung der elektrischen Komponenten zu gewährleisten, wurde ein hochmodernes, vakuumtaugliches Kühlsystem entwickelt. Dieses System nutzt einen eigens entwickelten Wasserkreislauf, um die Wärme der Leistungselektronik effizient an einen zentralen thermischen Phasenwechsel-Speicher zu übertragen. Dieser revolutionäre 3D-gedruckte Wärmespeicher aus Metall verwendet eine speziell abgestimmte Paraffin Mischung, um grosse Mengen an Wärmeenergie zu speichern. Wenn der Pod zum Stillstand kommt, kann die Wärmebatterie einfach und sehr schnell ausgetauscht werden, um die optimale Kühlleistung wiederherzustellen.

Zusätzliche Informationen sind im Jahresbericht 2023 verfügbar!
Jahresbericht 2023

245.5

Gewicht

1.6

Beschleunigung

80

Höchstgeschwindigkeit

5

Preise @ EHW

Bertrand Piccard

Bertrand Piccard ist ein Schweizer Psychiater, Abenteurer und Entdecker, der für seine bemerkenswerten Leistungen in der Luftfahrt und im Umweltschutz bekannt ist. Er ist Co-Pilot und Mitbegründer von Solar Impulse, dem ersten solarbetriebenen Flugzeug, welches die Welt umrundet hat. Sein Engagement für nachhaltige Technologien und sein Pioniergeist machen Bertrand Piccard zum perfekten Namensgeber für unseren neuen Pod.

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