TWIKE Klub

 
   
 
Autor
Alex Itten von Schmidhauser AG hat seit 1993 die Entwicklung des TWIKE-Antriebs massgeblich mitgestaltet.
E-Mail: aitten@schmidhauser.ch

Eingebaut wurden ein digital gesteuerter Drehstromantrieb. Die Software wurde speziell für die Bedürfnisse im TWIKE (Fahren/Laden) angepasst. Die Arbeiten umfassten zudem die Auslegung der gesamten Fahrzeugelektrik und die Batterieüberwachung.

Der nebenstehende Artikel beschreibt die Weiterentwicklung während einer zweiten Phase der Optimierung der Software.
 

 
 
BEW

Pilot und Demonstrationsanlagen
Förderprogramm Leichtelektromobile
 

Erhöhung der Lebensdauer des TWIKE III Akku

Jahresbericht 1997
 
ausgearbeitet durch Alex Itten
Schmidhauser Elektronik AG
Amriswilerstr. 11, CH-9315 Neukirch-Egnach
im Auftrag des Bundesamtes für Energiewirtschaft
 

Viele, viele TWIKE...

   
 

1. Zusammenfassung

Inhalt

1. Zusammenfassung
2. Projektziele
3. Geleistete Arbeiten im Jahr 1997
3.1 Teilprojekt A: Optimierung des Ladeverfahrens auf max. Lebensdauer der Zellen
3.2 Teilprojekt B: Reduktion der Netzoberwellen und Optimierung des Ladewirkungsgrades
3.2.1 Power Factor Corrector
3.2.2 Optimierung der Normalladung
3.2.3 Zwischenladung mit besserem Ladewirkungsgrad
3.2.4 Timerzusatz
3.3 Teilprojekt C: Verbesserung des Fahrwirkungsgrades
3.4 Teilprojekt D: Erhöhung der Genauigkeit der Reichweitenanzeige
3.5 Teilprojekt E: Überarbeitung des Sicherheitskonzeptes nach IEC 718 Nachfolge
3.6 Teilprojekt F: Verhindern von Tiefentladezuständen
4. Zusammenarbeit
4.1 Firma Glur, Hr. Th. Felber, 3110 Münsingen
4.2 TWIKE AG, Hr. R. Schnyder, 4460 Gelterkinden [neu: CH-4450 Sissach]
4.3 Brusa Elektronik, Hr. A. Mathoy, 9473 Gams
4.4 Neu-Technikum Buchs, Hr. Prof. Breu, 9471 Buchs
4.5 Interkantonales Technikum Rapperswil (ITR), Hr. Prof. J. Quednau, 8640 Rapperswil
5. Transfer in die Praxis
6. Perspektiven

 

TWIKE III
Abb. 1: TWIKE III

 

2. Projektziele

Beim Start des Projektes im Dezember 1996 wurden folgende Ziele definiert:

1. Optimierung des Ladeverfahrens im Hinblick auf eine maximale Batterielebensdauer
2. Reduktion der Netzoberwellen nach IEC 61000-3-2 und Erhöhung des Ladewirkungsgrades auch bei ungünstigem Benutzerverhalten.
3. Verbesserung des Fahrwirkungsgrades vor allem bei kleineren und mittleren Geschwindigkeiten im Teillastbereich, wie eine Studie am Interkantonalen Technikum Rapperswil ergeben hat.
4. Verbesserung des Batteriemodells bei allen Umgebungsbedingungen und eine Erhöhung der Genauigkeit der Reichweitenanzeige im Fahrzeug.
5. Überarbeitung des Sicherheitskonzeptes der Elektronik an die sich zur Zeit entwickelnde Norm IEC 718 (TC69).
6. Vermeidung von Tiefentladezuständen, wenn das Fahrzeug mehrere Wochen nicht gebraucht wird.

 

3. Geleistete Arbeiten im Jahr 1997

Basierend auf den eingangs erwähnten Zielen wurden die Teilprojekte A - F definiert und mit Unterstützung verschiedener Partner aus Industrie und Hochschulen angegangen

 

3.1 Teilprojekt A: Optimierung des Ladeverfahrens auf max. Lebensdauer der Zellen

Aus einem der meistbenutzen Fahrzeuge mit einem Kilometerstand von 20'000 km wurden mehrere Zellen entnommen und in einem Lebensdauertest mit neuen Zellen verglichen. Ein erstes Ergebnis des Lebensdauertests liegt vor und weist für den TWIKE III Akku ein ausserordentlich gutes Ergebnis auf.

Lebensdauer neuer NiCd-Zellen

Abb. 2: Lebensdauertest mit neuen NiCd Zellen

Die Messungen wurden mit einem konstanten Lade- und Entladestrom von C/4 durchgeführt. Während die neuen Zellen eine Lebensdauer von 950 Zyklen aufwiesen, erreichten die bereits gebrauchten Zellen nach 429 Zyklen im Fahrzeug weitere 663 Zyklen im Labor und damit rund 2/3 der ursprünglichen Lebensdauer.

Lebensdauer älterer NiCd-Zellen
Abb. 3: Lebensdauertest mit NiCd Zellen nach 20'000 km

Eine Hochrechnung dieses Ergebnisses lässt eine Lebensdauer von ca. 1'100 Zyklen oder ca. 50'000 km vermuten. Dieses sehr positive Ergebnis übertrifft die bei der Entwicklung erhofften 40'000 km und wird ebenfalls durch die sehr kleine Ausfallrate bei den übrigen Fahrzeugen unterstützt. Dieses Resultat muss jedoch durch weitere Tests im Labor und vorallem durch Erfahrungen auf der Strasse erhärtet werden.

Parallel dazu wurden durch ergänzende Untersuchungen die spezifischen Einsatzbedingungen beim TWIKE III Fahrzeug genauer betrachtet, um basierend auf der langjährigen Erfahrung der Firma Glur allfällige Schwachpunkte zu finden. Dabei konnte das Ladeverfahren vorallem bei tiefen Temperaturen optimiert werden.

Diese Verbesserungen wurden in der neuen Version der TWIKE III Software (TWK 5.10) eingebaut und den bestehenden Kunden zu einem Unkostenbeitrag angeboten. Die neuen Fahrzeuge werden ab Werk mit dieser erweiterten Software ausgerüstet.

 

3.2 Teilprojekt B: Reduktion der Netzoberwellen und Optimierung des Ladewirkungsgrades

3.2.1 Power Factor Corrector

Der bei der Konzeption des TWIKE Antriebs vorgesehene Power Factor Corrector wurde implementiert. Als Nebeneffekt konnte das Ladegeräusch des TWIKE deutlich reduziert werden. Eine Verbesserung des Oberwellengehaltes von ca. 35 % konnte damit erzielt werden.

 

3.2.2 Optimierung der Normalladung

Ladephasen
Abb. 4: Ladetechnik TWIKE III Akku

Bei der Auswertung der Messdaten unzähliger Lade- und Entladezyklen konnte festgestellt werden, dass während der Symmetrierladung (F6) unnötig viel Energie in den Batterien in Wärme umgesetzt wurde. Eine wichtige Ursache dafür ist die sehr gute Qualität der eingesetzten NiCd-Zellen sowie die bisher ausgebliebenen Alterserscheinungen der Zellen. Durch diese Verbesserung kann pro Ladung zwischen 0.4 und 0.6 kWh Energie eingespart werden.

 

3.2.3 Zwischenladung mit besserem Ladewirkungsgrad

Die TWIKE Fahrer werden motiviert, ihr Fahrzeug mehrheitlich während der Nacht zu laden, um den Bedarf von Spitzenleistung des Energieversorgungsnetzes nicht unnötigerweise zu erhöhen. Um dem Bedürfnis gelegentlicher Zwischenladungen während dem Tag entgegen zu kommen, wurde die Schnelladung komplett überarbeitet und auf minimalen Energiebedarf optimiert. Mit dem Nachteil, dass die Batterien nicht in jedem Fall vollständig geladen werden, reduziert auch diese Verbesserung den Energiebedarf um ca. 0.7 bis 0.9 kWh pro Schnelladung. Er wird vorallem bei längeren Fahrten mit notwendigen Zwischenladung eingesetzt und reduziert ebenfalls die hohen Zelltemperaturen im Sommer.

 

3.2.4 Timerzusatz

Messungen an der ISB im Frühjahr 1997 ergaben einen überraschend hohen Energieverbrauch des TWIKE III. Dies konnte teilweise auf die für das TWIKE ungünstige Messmethode zurückgeführt werden, indem nach nur 20 km die Batterien komplett vollgeladen wurden. Dadurch wurde unnötigerweise eine Symmetrierladung durchlaufen während der keine Energie mehr in den Zellen gespeichert werden kann. Andererseits birgt die heutige Lösung des TWIKE III Ladegerätes den Nachteil, dass die Elektronik am Netz immer eingeschaltet bleibt. Somit wird auch nach der Ladung unnötigerweise Energie verbraucht.

Auf Grund dieser Ergebnisse wurde das Teilprojekt C gestrichen und stattdessen ein Timerzusatz entwickelt, der deutlich mehr Energieeinsparungen erlaubt. Dank diesem Timerbausatz konnte der mit dem gleichen Testverfahren gemessene Energieverbrauch an der ISB von 14 auf 10 kWh / 100 km reduziert werden.

Dieser Nachrüstsatz kann nachträglich in bereits verkaufte Fahrzeuge eingebaut werden und reduziert den Energieverbrauch vorallem bei kleinen täglichen Fahrleistungen drastisch, wie folgende Hochrechnung zeigt:

Einsparungen durch Timerzusatz
Hochrechnungen aufgrund der Messungen an der ISB bei einer Ladezeit über Nacht von 19.00h bis 07.00h (12h)

Einsparpotential

Noch deutlichere Einsparungen lassen sich bei Fahrzeugen erreichen, die über mehrere Tage am Netz eingesteckt werden, um eine hohe Einsatzbereitschaft zu erhalten.

 

3.3 Teilprojekt C: Verbesserung des Fahrwirkungsgrades

Aufgrund des kleinen Verbesserungspotentials wurde auf dieses Teilprojekt komplett verzichtet. Statt dessen wurde der Timerzusatz des Teilprojektes B zusätzlich realisiert.

Die gewonnenen Erkenntnisse der Studie am Interkantonalen Technikum in Rapperswil (ITR) dienen als wichtige Grundlage für die Weiterentwicklung des Nachfolgeantriebs, dessen Entwicklung voraussichtlich 1998 angegangen wird.

 

3.4 Teilprojekt D: Erhöhung der Genauigkeit der Reichweitenanzeige

Eine Analyse von Messzyklen, Literaturrecherchen und Erfahrungen der TWIKE Fahrer (Interviews) ergab eine grosse Anzahl von möglichen Einflussfaktoren auf die erzielbare Reichweite, die im folgenden in drei Gruppen zusammengefasst werden:

Batteriemodell

Qualität des letzten Ladezyklus (erreichter Ladegrad)
Temperatur der Batterien
mittlerer Entladestrom
maximaler Entladestrom
Entladungstiefe der letzten Entladezyklen
Alter der Batterien

Benutzerverhalten und Umwelteinflüsse

Fahrweise des Fahrers
Fahrgeschwindigkeit
Umweltbedingungen (Licht und Scheibenheizung)
Verkehrsdichte

Topologie

Steigungen
Strassenverhältnisse

Die unter Batteriemodell aufgelisteten Einflüsse sind prinzipiell mit Hilfe eines aufwendigen Batteriemodells berechenbar. Allerdings sind die inneren Zusammenhänge dieser Einflüsse sehr komplex und die Erforschung sehr zeitaufwendig. Ihr Einfluss auf die Reichweite ist aber deutlich kleiner als derjenige der zwei übrigen Gruppen.

Im Fahrzeug selbst ist es zum heutigen Zeitpunkt mit vertretbaren Kosten nicht möglich, den Einfluss der Topologie mit zu berücksichtigen. Dazu wurde aus den Diplomarbeiten von R. Bösch und B. Lamprecht das Programm FinaTWIKE erstellt, dass als Routenplaner vor Reiseantritt dient. Es kann frühzeitig festgelegt werden, wo eine Zwischenladung notwendig ist.

Die Reichweitenanzeige im TWIKE selbst wurde dahingehend erweitert, dass die Reichweite aufgrund des bisherigen Verbrauchs jeweils neu berechnet wird. Damit werden die meisten Einflussfaktoren mitberücksichtigt. Die Reichweite wird gleich zweifach angezeigt.

TWIKE Display

In der oberen Zeile wird die ab jetzigem Zeitpunkt verbleibende Reichweite (21.0 km) angezeigt. Sie dient als Entscheidungsgrundlage für ein erneutes Laden. Darunter ist zusätzlich die Reichweite seit der letzten Ladung (65.8 km) angegeben. Mit Hilfe der unteren Anzeige kann während der Fahrt kontrolliert werden, ob das anvisierte Etappenziel auch zu erreichen ist. Sie dient damit auch als wichtiger Hinweis über die Energieeffizienz des Fahrers. Erreicht der Fahrer durch seine Fahrweise, dass eine hohe Reichweite angezeigt wird, so deutet dies auf eine optimale Fahrweise hin.

Unberücksichtigt in dieser Vorhersage bleiben die vorausliegenden Steigungen oder Gefälle. Diese sind heute nicht berechenbar und müssen vom Fahrer mit einbezogen werden.

Als weitere Informationen werden dem Fahrer die aktuelle Geschwindigkeit, die Batteriespannung und die -temperatur angezeigt. Zusatzinformationen sind durch Umschalten der Anzeige zu erhalten.

Während den Tests konnten mit der neuen Reichweitenanzeige sehr gute Erfahrungen gesammelt werden. Sie erweist sich als sehr zuverlässig.

 

3.5 Teilprojekt E: Überarbeitung des Sicherheitskonzeptes nach IEC 718 Nachfolge

Im Verlaufe des Jahres wurden die Normungsentwürfe genau studiert und jeweils Stellungnahmen abgegeben. Danken möchten wir an dieser Stelle auch Herrn Arno Mathoy für seine hervorragenden Arbeiten als neuer Vorsitzender der AG69.

So ist es uns gemeinsam gelungen, den Lademode 0, die Ladung ab Steckdose zu Hause, ohne zusätzliche teure Installationen, entgegen dem Widerstand der Amerikaner, durchzubringen.

Die Übersetzungen in andere Sprachen konnten dieses Jahr aufgrund dringender Arbeiten nicht angegangen werden. Nachdem nun die Produktion der Fahrzeuge hochgefahren werden konnte, sollen auch die Übersetzungsarbeiten im Frühling 98 durchgeführt werden.

 

3.6 Teilprojekt F: Verhindern von Tiefentladezuständen

Seit April 1997 werden am Neu-Technikum Buchs (NTB) von Herrn D. Hanselmann und Herrn D. Heininger, unter der Leitung von Prof. Breu, die Grundlagen einer neuen Batterieüberwachung erarbeitet. Ausgehend von der heutigen TWIKE III Batterieüberwachung wurden Einsparungspotentiale systematisch untersucht. Zur Zeit sind die beiden Studenten an ihrer Diplomarbeit, mit dem Ziel neue Schaltungskonzepte zu erarbeiten, um die Selbstentladung zu reduzieren. Die Diplomarbeit wird am 19.12.97 abgeschlossen. Daher liegen die Ergebnisse noch nicht vor.

Diese Verbesserungen können aufgrund der neuen Schaltungstechnik erst bei einer Nachfolgeserie umgesetzt werden. Eine Nachrüstung der heutigen Fahrzeuge ist nicht möglich.

Schema Batterie
Abb. 5: Aufbau des TWIKE III Akkus

 

4. Zusammenarbeit

In diesem Projekt wurde sehr intensiv zwischen verschiedenen Partnern zusammengearbeitet, mit dem Ziel die jeweiligen Kenntnisse dieser Partner für das Projekt nutzbar zu machen.

4.1 Firma Glur, Hr. Th. Felber, 3110 Münsingen

Verifikation der Ladetechnik, Messungen der Batterielebensdauer und Untersuchungen bei tiefen Ladetemperaturen.

4.2 TWIKE AG, Hr. R. Schnyder, 4460 Gelterkinden

Konzeption des TWIKE III Fahrzeuges, Auswertung der Fahrerinformationen, Benutzeranleitungen, Test der Software, Entwicklung und Herstellung des Timerzusatzes.

4.3 Brusa Elektronik, Hr. A. Mathoy, 9473 Gams

Vorsitzender der AG69, Normung (IEC, CENELEC) der elektrischen Strassenfahrzeuge

4.4 Neu-Technikum Buchs, Hr. Prof. Breu, 9471 Buchs

Betreuung der Diplomarbeit TWIKE III / IV Batteriemanagement der beiden Studenten D. Hanselmann und D. Heininger zur Reduktion der Selbstentladung der Akkumulatoren.

4.5 Interkantonales Technikum Rapperswil (ITR), Hr. Prof. J. Quednau, 8640 Rapperswil

Hr. R. Bösch und B. Lamprecht, Diplomarbeit Analyse und Modellierung des Hybridfahrzeugs TWIKE III. Umsetzung der Ergebnisse in das Programm FinaTWIKE.

 

5. Transfer in die Praxis

Wie bereits erwähnt, wurden die gesamten Verbesserungen aus diesem Projekt zu einem neuen Release der TWIKE III Software zusammengefasst und im November 1997 freigegeben. Diese Software kann in allen 190 TWIKE der ersten Serie nachgerüstet werden, womit diese Verbesserungen in der gesamten TWIKE Flotte integriert werden können.

Seit September 1997 werden weitere 400 TWIKE III produziert. Auch in diesen neuen Fahrzeugen kommt die überarbeitete Software zum Einsatz.

Der Schaltuhr-Einbausatz wird ebenfalls seit Oktober 1997 als Zubehör angeboten und den bestehenden TWIKE Kunden zum Einbau empfohlen. Insbesondere für institutionelle Kunden mit mehreren Fahrern und bei langen Standzeiten bringt dieser Nachrüstsatz Vorteile.

 

6. Perspektiven

Aus verschiedenen Gründen, die in diesem Bericht erwähnt wurden, konnten nicht alle geplanten Arbeiten termingerecht abgeschlossen werden. Einige wurden komplett fallengelassen und stattdessen andere erfolgversprechendere Arbeiten an die Hand genommen.

Die Optimierung der Lebensdauer (Teilprojekt A) wird auch im kommenden Jahr einige zusätzliche Arbeiten erfordern. Die Lebensdauertest im Labor müssen mit dynamischen Lasten wiederholt und das Ergebnis verifiziert werden. Auf der Strasse werden immer mehr Batterien an das Ende ihrer Lebensdauer gelangen und es wird notwendig sein, diese Daten systematisch auszuwerten um daraus möglichst viele Erkenntnisse zu ziehen.

Auf die Servicestellen wird ein zusätzliches Problem zukommen, indem sie zuverlässig feststellen müssen, wann eine Batterie zu ersetzen ist. Aus diesem Grund wird an einem Refresh- und Kapazitätsmessgerät gearbeitet werden müssen.

Der Ersatz der NiCd- durch NiMH- oder andere Zellen muss langfristig und durch ausgiebige Tests vorbereitet werden. Dafür steht mit dem parametrierbaren TWIKE III Batteriemanagement eine ideale Plattform für Labor und Feldversuche zur Verfügung, wenn auch die Auswertung der Ergebnisse sehr viel Arbeit und Kosten erfordert.

Teilprojekt B bis F werden in die für das Jahr 1998 vorgesehene Weiterentwicklung des TWIKE IV Antriebs einfliessen, wobei erstmals eine speziell für diesen Anwendungsbereich optimierte und damit kostenoptimale Steuerung entwickelt und hergestellt werden soll.

Die TWIKE III Produktion konnte nach einer umfangreichen Umstrukturierung wieder hochgefahren werden, so dass auch im Jahr 1998 das TWIKE zum meistverkauften E-Mobil der Schweiz werden dürfte. Nach Inverkehrsetzung der weiteren 300 TWIKE III dürften ohne weiteres Einsparungen von ca. 300'000 Litern Benzin pro Jahr erreichbar sein.

Wir möchten uns an dieser Stelle für die Unterstützung des Bundesamtes für Energiewirtschaft bedanken.

 

Link: Foto der TWIKE-Batterie

 

Aktualisiert: Dezember 1997 / 6. Januar 1998 / ai / pz
© Alex Itten, Schmidhauser Elektronik AG, CH-9315 Neukirch-Egnach, E-Mail: aitten@schmidhauser.ch

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