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Pod „Lavinia Heisenberg“

«Lavinia Heisenberg» ist der erste von Swissloop entwickelte full-scale Prototyp mit einer neu entwickelten Antriebstopologie. Der Pod ist in der Lage, bis zu 100 kg zusätzliche Nutzlast auf einer Standard-EUR-Palette zu transportieren. Dabei ermöglicht der neu entwickelte lineare geschaltete Reluktanzmotor (LSRM) ein hybrides Antriebskonzept. In der ersten Phase arbeiten die fahrzeugseitigen Spulen als passive Elektromagneten, während ein stationärer, in der Strecke integrierter Booster für die energieintensive Beschleunigung sorgt. In der zweiten Phase arbeitet das fahrzeugseitige Antriebssystem als Reluktanzmotor und es werden keine aktiven Elemente auf der Strecke benötigt. Somit können lange Strecken relativ kostengünstig gebaut werden. In der letzten Phase kann erneut ein stationärer Booster zum regenerativen Bremsen eingesetzt werden, um die Effizienz des Gesamtsystems zu optimieren.

Der neue Motor besteht aus 16 Spulen, die zwischen zwei zahnförmigen Schienen positioniert sind und ist in der Lage, Beschleunigungskräfte von bis zu 0,5 g zu erzeugen. Der gesamte Pod ist 2,95 m lang, 1,37 m breit und einschliesslich Shell 1,12 m hoch und hat ein Nettogewicht von 224 kg. Zudem ist der Pod mit einer variablen pneumatischen Regeldruckbremse mit Tellerfedern ausgestattet, um unter allen Umständen ein sicheres Bremsen zu gewährleisten. Der von «Simon Ammann» weiterentwickelte Umrichter schaltet mittels einer FPGA-basierten Hysterese-Regelung die entsprechenden Spulen präzise und sehr zuverlässig. Die beiden abnehmbaren, autonomen Batterieboxen können bis zu 24 Batterien aufnehmen, liefern 400 V und unterstützen Spitzenströme bis zu 400 A. Um unsere Tradition fortzusetzen, wurde die gesamte Elektronik von Swissloop selbst entwickelt.

Für die neue Motortopologie wurde eine spezielle Schiene entwickelt. Die Zähne im mittleren Segment sind aus einem ferromagnetischen Material gefertigt.
Das Fahrwerk trägt das gesamte Gewicht und absorbiert Stösse durch Unebenheiten in der Strecke, während der Pod so eben wie möglich gehalten wird.
Der neu entwickelte geschaltete lineare Reluktanzmotor unterstützt ein hybrides Antriebssystem mit streckenseitigen Boostern für die Beschleunigung und passiven, skalierbaren und kostengünstigen Streckenelementen über lange Strecken.
Die seitliche Stabilisation sorgt dafür, dass der Pod und insbesondere der Motor beim Betrieb in der richtigen Position bleiben.
Die pneumatische Regeldruckbremse mit Tellerfedern garantiert ein sicheres Bremsen unter allen Umständen. Der variable Bremsdruck ermöglicht ein kontrolliertes und sanftes Abbremsen.
Das Aluminium-Sandwich-Chassis mit einem ROHACELL®-Kern bietet Befestigungspunkte für alle Subsysteme. Das optimierte Design gewährleistet zudem eine leichte Zugänglichkeit zu allen Subsysteme und nutzt den vorhanden Platz optimal aus.
Ein selbst entwickelter SiC-MOSFET-Wechselrichter dient zur Versorgung der Spulen des Motors, wobei jede Spule mit bis zu 100 A angesteuert werden kann. Insgesamt werden vier Module, aufgeteilt auf zwei abgeschirmte Boxen, zur Regelung der acht Phasen des Motors verwendet.
Der grösste Teil der Niederspannungselektronik, einschliesslich der Fahrzeug- und Umrichtersteuerung, ist in einer zentralen geschirmten Box untergebracht und über den CAN-Systembus miteinander verbunden. Zudem ist der Grossteil der Sensoren an einen speziellen Sensorbus angeschlossen, der durch das gesamte Fahrzeug verläuft.
Insgesamt sind 24 LiPo-Akkumodule in zwei Batterieboxen untergebracht, welche Ströme bis zu 400 A bei einer Spannung von 400 V liefern können. Die beiden Boxen sind parallel geschaltet und ein eigens entwickeltes Batterie-Managementsystem überwacht ständig die Spannung und Temperatur jeder Zelle.
Nach der Montage der speziellen Ladeplatte kann unsere neuer Pod bis zu 100 kg zusätzliche Ladung auf einer Standard-EUR-Palette transportieren, welche durch zwei hochwertige Zurrschienen aus der Luftfahrtindustrie fixiert werden kann.
Die Verschalung aus kohlefaserverstärkten Kunststoff bietet zusätzlichen Schutz, verbessert das aerodynamische Verhalten des Pods und bietet eine Präsentationsplattform für unserer zahlreichen wertvollen Partner.

„Lavinia Heisenberg“ wurde von einem Team aus 31 Studierenden mit unterschiedlichem Hintergrund und von verschiedenen Universitäten in der Schweiz entwickelt. Das Kernteam, bestehend aus nur sechzehn Computer-, Elektro- oder Maschinenbauingenieuren, welches den gesamten Prototyp während der zehnmonatigen Saison ab September entworfen, hergestellt, montiert und getestet hat. Der gesamte Prototyp ist ein komplexes System mit zahlreichen Komponenten, welche 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 der Pod immer von den weiter vorne gelegenen Zähnen angezogen, was zu einer kontinuierlichen Vorwärtsbewegung führt. Der Motor besteht aus sechzehn Spulen mit einem Kern aus Elektroblech und ist an der Unterseite des Chassis montiert, um einen niedrigen Schwerpunkt zu erzielen. Der Wechselrichter stellt das Bindeglied zwischen den Batterien und dem LSRM dar und regelt den Strom für den Motor.

Die elektrischen Systeme sind dabei grösstenteils in zwei Hochspannungs- und eine Niederspannungsbox aufgeteilt. Die Hochspannungsboxen enthalten jeweils zwei Leistungsmodule und sind vorne und hinten im Fahrzeug platziert. Analog dazu, enthält die Niederspannungsbox die Fahrzeug- und Umrichtersteuerung sowie die Niederspannungsversorgung und befindet sich in der Mitte des Pods. Ähnlich verhält es sich mit den Batterien, welche in zwei Batterieboxen, eine auf jeder Seite des Prototyps, integriert sind. Das gesamte Batteriesystem besteht aus 24 Lithium-Polymer-Akkupacks und hat eine Nennspannung von 400 V. Diese Boxen enthalten zusätzliche Elektronik, darunter das Batterie-Management-System (BMS), welches für die Überwachung jeder einzelnen Zelle zuständig ist.

Weiter ist die Fahrzeugsteuerung für die digitale Integration des Pods zuständig. Dazu gehört die Erfassung von Daten aus den anderen Systemen und die Ermittlung des Zustands des Gesamtfahrzeugs über die verschiedenen Sensoren, die über einen der CAN-FD-Bus angeschlossen sind. Die Fahrzeugsteuerung ergreift dann Massnahmen auf der Grundlage dieser gesammelten Daten. Zudem stellt sie eine drahtlose Verbindung zur Steuersoftware her, von wo aus manuelle Steuerbefehle gesendet werden können.

Mechanisch

Das Fahrgestell bildet das strukturelle Gerüst des Fahrzeugs. Als solches muss es den einwirkenden Belastungen standhalten und wurde aus einer Aluminium und Schaumstoff Sandwich-Struktur gefertigt. Zusätzlich deckt eine aus Verschalung aus kohlefaserverstärkten Kunststoff den Prototypen und die Fracht ab und verbessert das aerodynamische Verhalten. Das am Fahrgestell angebrachte Aufhängungs- und Stabilitätssystem stellt den physischen Kontakt zwischen dem Fahrzeug und der Schiene her. Es sorgt nicht nur dafür, dass der Pod auf der gewünschten Strecke fährt, sondern dient auch als Schutz vor Stössen aufgrund von Unebenheiten in der Strecke. Es besteht aus vier Räderpaaren, die vertikale und seitliche Bewegung des Fahrgestells begrenzen, und drei zusätzlichen Räderpaaren, welche unabhängig vom Rest die seitliche Bewegung des Motors begrenzen. Für die Aufhängung des Fahrgestells wurden Mountainbike-Stossdämpfer für die vertikale und Gummidrehfedern für die seitliche Aufhängung verwendet, während der Motor starr stabilisiert wird.

Weiter sorgen die Bremsen dafür, dass das Fahrzeug auf in allen Fällen sicher zum Stillstand kommen kann. Der Bremsmechanismus wird mithilfe eines pneumatischen Systems gesteuert, welches die erforderliche Bremsenergie bereitstellt. Die Bremskraft wird durch einen Pneumatikzylinder erzeugt, der die Bremsklötze auf die Schiene drückt, sodass der Pod durch mechanische Reibung gebremst wird. Das System ist redundant aufgebaut und auch bei unerwarteten Ausfällen kann immer eine ausreichende Bremskraft gewährleistet werden. Die als Redundanz verwendeten Tellerfedern sind ständig komprimiert und werden auch ohne Strom- und Luftzufuhr ausgelöst. Zusätzlich kann die Bremskraft über einen einstellbaren Druckregler im pneumatischen System reguliert werden.

Zusätzliche Informationen sind im Jahresbericht 2022 verfügbar!

224

Gewicht

100

Nutzlast

2

Auszeichnungen @ EHW

Lavinia Heisenberg

Prof. Lavinia Heisenberg ist eine Forscherin an der ETH Zürich und beschäftigt sie sich insbesondere mit Gravitationsphysik, Kosmologie und rechnergestützter Astrophysik, wofür sie mehrfach ausgezeichnet wurde. Ihre herausragende Forschung und ihre Leidenschaft für die Physik machen Professorin Heisenberg zur perfekten Wahl als Namensgeberin für unseren neuen Pod.