Prototypenbau

Eine wichtige Kernkompetenz des Institutes ist der Prototypenbau. In diesem Bereich werden neue Antriebs- und Fahrzeugkonzepte, System- und Fahrzeugkomponenten von der Zeichnung bis zum betriebsbereiten Demonstrator fahrzeuggerecht umgesetzt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Realisierung von Leichtbaufahrzeugen mit Elektroantrieb und Brennstoffzellen-Energieversorgung sowie deren Komponenten für den Versuchsbetrieb zusammen mit Partnerinstituten innerhalb des DLR und externen institutionellen und industriellen Partnern.

Der Prototypenbau umfasst folgende Aufgabengebiete:

• Umsetzung eines Antriebs-/Energieversorgungskonzeptes in ein betriebsangepasstes Packagingkonzept für ein Fahrzeug,
• Spezifikation, Entwicklung und Realisierung von fahrzeuggerechten Systemkomponenten,
• Konzeption, Realisierung und Integration spezifischer Karosserie- und Chassisbauteile für Leichtbaufahrzeuge,
• Entwicklung, Realisierung und Integration von Antriebs- und Energieversorgungsmodulen,
• Entwicklung und Realisierung von Befestigungs- und Aufbauelementen für Antriebs- und Energieversorgungsmodule,
• Umbau von Fahrzeugen und Vorbereitung für den demonstrativen Einbau neuartiger Antriebe und Energieversorgungseinheiten für den Versuchsbetrieb,
• Betriebsunterhalt, Wartung und Reparatur der Demonstrationsfahrzeuge des Instituts.

Das Institut hat im Jahr 2004 einen Demonstrator- und Prototypen-Fahrzeugpark mit zwei straßen-zugelassenen Elektro-Leichtbaufahrzeugen und drei Kleinfahrzeugen. Die beiden Leichtbaufahrzeuge sind Weiterentwicklungen und Umbauten der ehemaligen zweisitzigen Hotzenblitz-Elektrofahrzeugbaureihe. Ein Fahrzeug wird für den Test neuer Antriebskomponenten mit einem Batteriesatz genutzt. Das andere Fahrzeug wird aktuell im Rahmen des HyLite-Projektes zu einem Brennstoffzellen-Versuchsfahrzeug umgerüstet. Die drei Kleinfahrzeuge sind Demonstrationsfahrzeuge für den Betrieb und die Visualisierung von drei unterschiedlichen Energieversorgungskonzepten auf der Basis von luftgekühlten Wasserstoff-Luft-PEFC-Systemen:

• ein Kunststoff-Kinderjeep enthält ein 0,4 kW PEFC-System in konventioneller Bauweise mit dem Brennstoffzellensystem im Motorraum und der Wasserstoffversorgung im Heckbereich unterhalb der Sitzbank
• in ein Kleinfahrzeug zur Verkehrserziehung wurde ein 0,5 kW PEFC-System in modularer Bauweise bestehend aus 6 Systemmodulen integriert und
• ein Elektroroller enthält ein fahrzeugform-angepasstes 0,5 kW PEFC-System in Kompaktbauweise. Das System fand komplett im Roller-Mittelteil Platz, die Wasserstoffversorgung wurde in eine Heckbox integriert.

Für alle Aufgaben, die aus Konzeption, Aufbau, Wartung und Reparatur der Fahrzeuge und ihrer Komponenten entstehen, wird im Bereich Prototypenbau die notwendige Werkstattausrüstung und das Fachpersonal bereitgestellt und den Erfordernissen kontinuierlich angepasst.

Diese Bild zeigt das drei-dimensionale CAD-Konzept eines kleinen luftgekühlten 0,4 kW Brennstoffzellensystems, das auf der Basis einer eigenen Fahrzeugvermessung erstellt wurde. Im Bild ist zwar das zugrunde gelegte Fahrzeug nicht dargestellt, aber die Komponentenzusammenstellung und Leitungsführung lässt deutlich erkennen, dass das System in vorgegebene Einbauräume eingepasst werden musste. Für jedes Fahrzeug kann nach genauer eigener Vermessung oder mit CAD-Daten, die zur Verfügung gestellt werden, aus dem verfahrens- und elektrotechnischen Konzept des Brennstoffzellensystems ein individuell angepasstes CAD-Modell erstellt werden. Dazu wird kontinuierlich eine CAD-Datenbank geeigneter Systemkomponenten weiterentwickelt und gepflegt.

Bei der Entwicklung der individuellen Packagingkonzepte von Antriebsstrang und Energieversorgung ist häufig die Entwicklung funktionell bekannter Komponenten mit spezieller Form oder Einbauten notwendig. Diese Arbeit der Entwicklung spezieller Komponenten kann zusätzlich im Rahmen der Package-Konzeptentwicklung übernommen werden. Die drei-dimensionale Zeichnungserstellung bringt trotz anfangs erhöhtem Einlern- und Zeitaufwand entscheidende Vorteile bei Einpassung und Abgleich von Komponenten in komplexe Systeme oder Bauräume. Der Nacharbeitungsaufwand sowohl bei Planung als auch Realisierung wird merkbar reduziert. Im Bild ist die drei-dimensionale Ansicht eines druckbeaufschlagten Luft-Wasser-Trennbehälters für ein 20 kW Brennstoffzellensystem gezeigt. Der Behälter wurde für ein vorgegebenen sehr beengten Einbauraum und einen Betrieb mit maximal 3 bar innerem Überdruck ausgelegt.

Aus dem drei-dimensionalen CAD-Modell können sehr einfach alle Bauzeichnungen abgeleitet werden. Auf der Basis dieser zwei-dimensionalen Bauzeichnungen wurde der im Foto dargestellte Behälter von einer Zulieferfirma gebaut und druckgetestet. Der Behälter ist im betriebsbereiten Zustand mit allen An- und Einbauten gezeigt. Die Stopfen auf den Ein- und Auslässen wurde vorübergehend für die Druckprüfung eingeschraubt. Das herausgeführte Kabel gehört zu einem eingebauten Füllstandsensor. Der dargestellte Behälter hat einen Wasserinhalt von 13 Litern im unteren Behälterbereich und eine Luftvolumen von 6 Normlitern darüber. Er wurde für Versuchszwecke sowohl in einer Stahl- als auch Aluminiumausführung gebaut.

Über die Entwicklung und den Bau spezifischer Antriebs- und Energieversorgungskomponenten hinaus werden auch ganze Teilsysteme entwickelt und als Versuchsobjekte realisiert. Das Foto zeigt das betriebsfertige PEFC-Kernmodul eines 0,5 kW Brennstoffzellensystems für ein Kleinfahrzeug. Gegenüber dem Funktionsmuster wurde eine Volumenreduktion von 13 % und eine Gewichtsreduktion von 25 % erzielt. Der entscheidende Fortschritt des Moduls ist die Verringerung der Bauteilanzahl und des Vorrohrungsaufwandes um fast 50 %.

Zur Gesamtaufgabe der Realisierung von Versuchsträger-Fahrzeugen gehört natürlich auch Fahrzeugvorbereitung, Umbau und Entwicklung systemspezifischer Fahrzeugbauteile. Der im Foto gezeigte Kasten mit abgenommenem Deckel und zwei Brennstoffzellenblöcken wurde für den gasdichten Einbau eines 20 kW PEFC-Kernmoduls im Heckbereich eines Elektrofahrzeugs entwickelt. Der Kasten wurde unter Berücksichtigung der fahrzeugtechnischen Erfordernisse, z.B. Leichtbau aus CFK, crashsichere Befestigung der Komponenten im Kasten und des Kasten im Fahrzeug und unter Berücksichtigung der systemtechnischen Randbedingungen wie z.B. Gasdichtigkeit gegenüber dem Fahrgastraum, elektrische Durchschlagfestigkeit höher als 2,5 kV und definierte Neigung des Deckels mit nicht verschließbarer Abluftöffnung. Trotz der Abmessungen von 930 x 600 x 250 mm und einer Wandstärke von 4 mm im Durchschnitt wiegt der Kasten nur knapp 7 kg.

Zur Entwicklung angepasster Fahrzeugaufbauelemente wie dem Brennstoffzellen-Kernmodulkasten gehört gleichzeitig auch die Entwicklung und Realisierung eines spezifischen Befestigungssystems, wie es im nebenstehenden Foto beispielhaft für den Modulkasten im Heckbereich eines Hotzenblitz-Fahrzeugs gezeigt ist. Das aus Standard-Aluminiumprofilen geschweißte Rahmengestell ist an drei Punkten mit dem Fahrzeugchassis verschraubt. Der PEFC-Kasten wird von oben auf das Gestell zwischen die hoch stehenden Befestigungslaschen eingesetzt und mit den Laschen verschraubt. Die Filzunterlagen zwischen Rahmen und Gestell dienen der Geräuschdämpfung. Auch dieses Gestell ist mit 4 kg ein Leichtgewicht.

Die Entwicklung und Realisierung von Karosseriebauteilen, wie der beispielhaft gezeigten neu entwickelten Fronthaube eines Hotzenblitz-Fahrzeugs, ist eine Aufgabe, die im Bereich Prototypenbau durchgeführt wird. Die dargestellte Haube ist eine Neuentwicklung für den Einbau von Brennstoffzellen-Systemkühlern im Frontbereich. Die Haubensteifigkeit, Befestigung am Vorderwagen und die äußere Form sollten ohne Änderung erhalten bleiben. Zur Erfüllung aller Randbedingungen wurde deshalb eine einteilige Haube mit quer liegenden Versteifungsrippen und um die zusätzlichen Kühleröffnungen umlaufenden Verstärkungen in GFK-Bauweise entwickelt. Die runden Öffnungen der Scheinwerfer, die darunter liegenden schmalen Öffnungen für die Blinkerelemente und die unterste mittige Kühlöffnung wurden mit Positionsänderungen vom Basisdesign übernommen. Die anderen vier Öffnungen sind neu hinzugekommen. Die Haube wurde von einem Industrieunternehmen nach den DLR-Vorgaben gebaut. An zwei Fahrzeugen konnte die Maßhaltigkeit des Teils durch einfachen Einbau anstelle der ursprünglichen Haube ohne Anpassarbeiten gezeigt werden. 

Crash-Cone