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100km Dauertest auf der Kartbahn


Die ersten Fahrtests auf dem Kart waren vielversprechend, die Messungen auf dem Prüfstand im Labor ebenso. Zeit, um die überarbeitete Kartbatterie mit dem neuen Kühlsystem und dem integrierten Controller in den ersten Feldtest zu schicken. Am 31.1.09 sollte auf der Kartbahn in einem 5-stündigen Dauertest das Verhalten des Akkus im Dauereinsatz getestet und mit dem dreifels Datenlogger genauere Belastungsprofile bei unterschiedlichen Fahrern erfasst werden.
Die Testpiloten: Tanya (9) als Vertreterin der zukünftigen Generation, Adrian (14) als richtiger Teenager, Stephan, Christian und Ralph als mehr oder weniger draufgängerische Freizeitkartfahrer.


11.30h Einbau der Akkus in Kart #32

Der mattschwarze "stealth" - Kart #32 wurde auserwählt für den Test und sollte in den nächsten Stunden jeweils als ominösen "Fahrer X" auf der Anzeigetafel der Kartbahn erscheinen. Also, 70kg Bleibatterien raus, Montageplatten festschrauben und die beiden je 14kg leichten dreifels Lithium Powerakkus anschrauben.

Mit 40Ah Kapazität bei 51.2V sollten die Akkus genügend Kapazität liefern, dass sie nie mehr als zur Hälfte leergefahren werden müssen. Dadurch wird die Nutzungsdauer enorm erhöht.

Die Akkus haben hinten einen grossen Lüfter, der auch bei Extrembelastungen dafür sorgt, dass die Wärme abgeführt werden kann. Gleichzeitig bläst der Lüfter an den Motor und die Elektronik, sodass auch dort unter der Abdeckung kein Wärmestau entstehen kann.
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Eine grosse Zange braucht es, um die Kontaktlaschen zu verpressen. Immerhin werden in den nächsten 5 Stunden fast dauernd gegen 100A Strom hindurch fliessen . . . damit könnte man locker 10mm dicke Stahlplatten schweissen. Wir wollen allerdings, dass der Strom ungehindert den Weg in den Motor findet.

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Ein letzter Check von Stephan vor der Freigabe für die erste Testfahrt.


11:59:08 Startfreigabe
Temperatur 16.5 Grad, Piste frei.

12:06h geht dann Tanya auf die erste Runde zum aufwärmen. Sie nimmts gemütlich, sodass der Amperemeter kaum über 40A geht, zudem bringt sie mit 35kg einiges weniger auf die Waage als die grossen Piloten und ist mit einer Rundenzeit von 34 Sekunden schon ganz glücklich.
Der Gewichtsvorteil (und das gut eingestellte Fahrwerk des TOMKART) ist für sie trotzdem entscheidend. Auch nach 3 Min und 1.03Ah sind ihre Arme keineswegs müde, sie wäre locker weiter gefahren, aber jetzt wollen wir etwas mehr Strom geben.
Dem Alter nach ist Adrian dran. Er geht schon etwas mehr aufs Pedal und geht auch ab und zu mal auf die 85A Maximalstrom. Nach 10 Minuten hat er 5.5Ah gebraucht.
Zeit für eine erste Ladung, denn die Akkus waren vor der Fahrt nicht voll.
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12.27h geht der Ladestrom flott auf 105A hoch und der Ah-Zähler saust rasant nach oben. Bereits 12.30h, nach nur 3 Minuten, ist die Lade-Endspannung von 58V erreicht und der Strom geht zurück, bis er um 12.35h auf 10% abgesunken ist und die Batterie also wieder voll ist - nach 7 Minuten.

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Interessant bei der Stromkurve ist, dass bei der Fahrt Ladeströme von bis zu 20A in die Batterie zurück fliessen, obwohl eigentlich die Rekuperationsfunktion nicht aktiviert sein sollte.
Beim Fahrprofil sieht man sehr deutlich, die Unterschiede der Fahrer. Die Kinder fahren nur mit halber Leistung, Normalfahrer gehen immer wieder vom Gas weg und Profis (die Fahrten am späteren Nachmittag) geben praktisch permanent 80A Vollgas. Trotz der relativ groben Log-Auflösung von 10s ist doch schon einiges daraus lesbar. Eine Erhöhung der Lograte auf 1s Intervalle würde noch eine genauere Analyse der Fahrtaktiken erlauben . . . aber darum gings bei diesem Test (noch) nicht.


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12.45h Systemcheck
Nach der ersten beiden Fahrten kontrollieren wird die Kontakte und Leitungen mit dem Infrarotthermometer: Alle sind so um die 30 Grad, die Hauptleitungen schön handwarm; halt, bei der 125A Sicherung springt der Thermometer auf 85 Grad. Ist die Sicherung wirklich so schwach? Könnte ja sein. Wir gehen wieder auf Fahrmodus, aber nichts rührt sich. Die Spannung vor der Sicherung ist o.k., nach der Sicherung 0V. Der Fehler ist schnell gefunden, die Kontermutter unter der Sicherung war lose und damit auch die Erwärmung erklärbar. (Anstelle der Kontermutter werden wir einen Distanzring aus Kupfer verwenden.)
Im Logfile fällt um 12.29h auf, dass plötzlich die Teilspannungen 12, 13 und 14 kurz hochspringen. Das könnte auf den losen Kontakt bei der Sicherung zurück zu führen sein. Da die Spannungen seriell nacheinander gemessen werden, konnte dieser kurze Anstieg nicht überall erkannt werden.

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Wir fahren eine Ladung nach der anderen. Da wir uns im normalen Kartbetrieb (der heute sehr gut läuft) einreihen müssen, sind die Pausen zwischen den Fahrten grösser als dies notwendig wäre. Pro Fahrt werden nur 6 bis 7 Ah gebraucht. Das könnte etwa stimmen, denn wenn man 490s lang immer Vollgas bei 80A fahren würde, wären dies 10.9Ah (siehe Fahrt No9 um ca 15h). Im Finale hat Christian 8 Ah gebraucht für 19 Runden (=6.3km) mit einem Gesamtschnitt von 46km/h rsp. Rundenzeiten von 25.6s. So könnte man also fast 40 Minuten oder 30 km weit fahren, wenn man die ganze Kapazität nutzen würde.

Daher machen wir zwei Doppel-Fahrten, um die Kapazität etwas tiefer hinunter zu bringen. Wir sind nach zwei mal 490s = 16 Min Fahrzeit auf -14Ah . . . was noch weit entfernt ist von den 40Ah Kapazität der Akkus. Wir nutzen also auch so nur 35% der Kapazität.
Die längste Ladung nach der Doppelfahrt ist rund 8 Minuten. Bei 100A wären dies 13.3Ah, also etwa nachvollziehbar. Das Ladegerät könnte eigentlich 120A liefern, aber aus der Grafik wird deutlich, dass die Ladezeiten bereits so weniger als halb so lange sind wie die Fahrzeiten, sodass hier ausreichend Reserven vorhanden sind.
Auch Kartbahnen mit längeren Fahrzyklen und höheren Geschwindigkeiten wären daher möglich.
Der kurze Ausfall der Messwerte bei Fahrt No5 ist darauf zurück zu führen, dass der Start/Stopknopf des Loggers lose im Kart lag und so während der Fahrt den Logger mehrmals ausgeschaltet hatte. Wir haben ihn danach weg genommen.

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Die Spannungsgrafik zeigt, dass die Batterie auch unter voller Last nicht unter 48V fällt. Damit ist auch der Strom bei vergleichbarere Leistung kleiner und somit auch die Belastung und Erwärmung der Elektronik und des Motors geringer.
Ein Abbruch der Ladung nach erreichen der Endspannung ist sinnvoll, da genügend Kapazitätsreserven vorhanden sind, und die Batterie damit grundsätzlich eine höhere Lebenserwartung haben dürfte.
Auffallend ist auch der plötzliche Spannungsanstieg auf 64V in der Zvieri-Pause. Das Ladegerät hat hier eine zweite Ausgleichs-Ladephase, welche vermutlich bei den Bleibatterien für eine Durchmischung der Säure sorgen sollte. Das ist natürlich für die Lithium gar nicht gut! Da die LiFePO4 hier robuster ist als andere Lithiumtechnologien hat diese Überspannung von 4V wohl den Zellen nichts gemacht (. . . eine Lithium-Cobalt Zelle wäre da eventuell schon in den "Feuerwerksmodus" übergegangen).

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Die Aufzeichnung der Teilspannungen zeigt (den nicht überraschenden) schön parallelen Verlauf der Kurven. Fehlerhafte Zellen oder Probleme in den Verbindungen können in dieser Grafik frühzeitig dedektiert werden.

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Und wie sieht es mit den Temperaturen aus?

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Die 4 Temperaturfühler messen die Temperatur im Zwischenraum in der Mitte jedes Teil-Packs (mit je 16 Zellen). In der ersten Hälfte haben wir die Lüfter nicht eingeschaltet, um den Verlauf ohne aktive Kühlung zu beobachten. Man sieht, dass im Fahrbetrieb eine deutliche Abkühlung durch den Fahrtwind stattfindet, da wir ohne Abdeckung gefahren sind. Bei der Ladung fehlt der Wind, sodass in der 100A-Phase eine Erwärmung von 5-10 Grad erfolgt.
Mit den Lüftern hat sich die Temperatur bei etwa 4 Grad über der Umgebungstemperatur stabilisiert, auch mit Abdeckung (die Abdeckung hatte noch keine seitlichen Luftschlitze, wie die neuste Version).
Die Unterschiede zwischen den Fühlern lässt sich damit erklären, dass diese nur lose zwischen den Zellen stecken und unterschiedlich engen Kontakt zu der benachbarten Zelle haben, also die einen eher die Lufttemperatur messen, die anderen die Zellenwand.

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Zeit fürs Finale:
Zu erst kommen noch zwei kleine Piloten dran und dann gings zur Fahrt No15, der letzten des Test.

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Sieger wurde Christian auf #32 . . . natürlich!

Fazit aus dem 100 km Dauertest

Zusammenfassend zeigte der Test, dass mit dem dreifels Lithium Power Akku ein Dauerbetrieb im 1 : 1 Modus problemlos funktioniert und genügend Reserven hat, auch wenn nicht alles optimal läuft oder bei einer längeren, bzw. schnelleren Kartbahn.

Wir werden den TOMKART # 18 nun noch mit den Sicherheitsfunktionen ausrüsten und dann in den täglichen Einsatz in Winterthur geben. Eine erste Serie von 20 Akkusätzen werden wir in die Produktion geben, um eine ganze Flotte der Mietkarts sowie andere Testfahrzeuge ausrüsten zu können.

Im Renn- oder Privateinsatz könnte man mit Wechselakkus arbeiten, sodass auch ein 24h Rennen (mit nur 1 Kart pro Team) möglich ist.

Mit den dreifels Lithium Power Akkus wäre ein spannendes Rennen mit erhöhter Motorleistung möglich, sodass man eine Schweizermeisterschaft oder Europameisterschaft für E-Karts lancieren könnte.

. . . eine neues, grosses Potential.


(2.2.2009, rs)
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