Shell Eco Marathon Mit nur einem Liter Benzin von London nach Rom und zurück

Autor / Redakteur: Marco Schmid* / Franz Graser

Für den diesjährigen Shell Eco Marathon hat das Schweizer Unternehmen Schmid Elektronik auf Basis von LabVIEW eine IoT-Telemetrielösung entwickelt. Inhaber Marco Schmid wird beim diesjährigen IoT-Kongress als Referent dabei sein (www.iot-kongress.de).

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Der Wagen der Prototyp-Klasse der TU München. Bei der Prototyp-Klasse ist maximale Energieeffizienz das Ziel. Deswegen sind die Fahrzeuge dieser Kategorie extrem stromlinienförmig gebaut – aber für die Fahrer/innen nicht unbedingt komfortabel.
Der Wagen der Prototyp-Klasse der TU München. Bei der Prototyp-Klasse ist maximale Energieeffizienz das Ziel. Deswegen sind die Fahrzeuge dieser Kategorie extrem stromlinienförmig gebaut – aber für die Fahrer/innen nicht unbedingt komfortabel.
(Bild: Jeff Moore/Shell)

Das Ziel des Shell Eco Marathons ist es, in einem Rennen das umweltbewusste Denken der Ingenieure der Zukunft zu fördern. Der Gewinner ist derjenige, der mit möglichst wenig Energie eine möglichst lange Strecke zurücklegen kann.

Seit 30 Jahren treten hochmotivierte Studententeams aus der ganzen Welt mehrmals im Jahr gegeneinander an und feiern diesen Spirit. Heuer fand erstmals in London ein direktes Rennen zwischen unterschiedlichen Treibstofftypen statt.

Dabei kam eine neue, LabVIEW-unterstützte Technik zum Einsatz: Die Rennfahrzeuge wurden mit mobilen Transpondern ausgerüstet, die die Fahrzeug-Betriebsdaten mit GPS-Informationen verknüpften und live über Mobilfunk an eine IOT-Plattform in der Cloud transferierten. Die dort in Echtzeit berechneten Ergebnisse fanden ihren Weg auf ein Leaderboard und auf eine Live-Karte für das mitfiebernde Publikum.

Das Rennen fand 1939 seinen Ursprung in den USA. Anlass war eine Wette zwischen Wissenschaftlern der Firma Shell. Es ging darum, wie weit man das eigene Fahrzeug mit einer Gallone (etwa 3,8 Liter) Treibstoff fahren könne. Vor 30 Jahren wurde der Shell-Eco-Marathon (SEM) in seiner gegenwärtigen Form erstmals in Frankreich ausgetragen.

Heutzutage findet das Event mehrmals im Jahr statt. Studententeams aus der ganzen Welt pilgern jeweils für eine Woche zu dieser Veranstaltung. Vor, während und nach dem Rennen werden sie von einem hochspezialisierten technischen Team betreut. Die Teams treten mehrmals gegeneinander an.

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Fahrzeugklassen und Energiekategorien

Das Rennen wird grundsätzlich in zwei Klassen aufgeteilt. Die Prototypenklasse (Beispiel siehe Aufmacherfoto) zielt auf maximale Energieeffizienz. Das sind Kleinstfahrzeuge, welche zum Beispiel die Form einer überdimensionierten Zigarre haben und in denen der Pilot in den meisten Fällen ziemlich unbequem liegt. Die teilweise durchgestylten Designs zeigen die heutigen Möglichkeiten von High-Tech für beste Umweltverträglichkeit.

Bei der Klasse der Urban Concept Cars geht es um Fahrzeuge mit minimalem Energieverbrauch, die in Städten zum Einsatz kommen können. Das Chassis des Autos der Nanyang Technologcal University aus Singapur wurde im 3-D-Drucker gefertigt.
Bei der Klasse der Urban Concept Cars geht es um Fahrzeuge mit minimalem Energieverbrauch, die in Städten zum Einsatz kommen können. Das Chassis des Autos der Nanyang Technologcal University aus Singapur wurde im 3-D-Drucker gefertigt.
(Bild: Shell)

Die Urban-Concept Klasse hingegen zeigt sich eher praxisorientiert und bietet in vielen Fällen sogar Platz für zwei Passagiere. Diese Klasse soll eine Idee aufzeigen, wie zukünftige Fahrzeuge mit minimalem Energieverbrauch aussehen und in Städten zur Anwendung kommen könnten.

Beide Fahrzeugklassen werden je nach ihrem zugrunde liegenden Kraftstoff wiederum in zwei Kategorien eingeteilt. Zu den Verbrennungsmotortypen gehören Superbenzin, Diesel, synthetischer Kraftstoff (GtL), Biodiesel (FAME) und Ethanol E100. Zur Kategorie der Elektromobilität gehören Photovoltaik, Wasserstoff (Brennstoffzelle) und Akkumulator. Der aktuelle Rekord liegt bei 4.896 Kilometern pro Liter, gehalten von einem Brennstoffzellenfahrzeug der Prototypenklasse. Das entspricht in etwa der Entfernung von London nach Rom und zurück.

Phase 1: Den Ein-Liter-Marathon durchhalten…

In diesem ersten Teil des Rennens geht es darum, mit möglichst wenig Energie eine möglichst lange Strecke zu fahren. Die Fahrzeuge legen dabei mit rund 30 km/h in maximal 50 Minuten eine 25 km lange Strecke zurück. Ein im Fahrzeug montierter Transponder (Bild 3, rechts) misst den Treibstoffverbrauch während der Fahrt.

Dann wird berechnet, wie viele (Milli-) Liter Superbenzin die gleiche Energiemenge enthalten wie der verbrauchte Treibstoff, denn so normiert werden die Ergebnisse der verschiedenen Kategorien vergleichbar. Letztendlich wird hochgerechnet, wie viele Kilometer das Fahrzeug mit der Energiemenge eines Liters Superbenzin theoretisch hätte zurücklegen können.

Fahrzeug-Monitoring mit Transponder

Das technische Team konfiguriert und überwacht die Transponder (Blaue Box, rechts) in den Fahrzeugen mittels Webservice (links).
Das technische Team konfiguriert und überwacht die Transponder (Blaue Box, rechts) in den Fahrzeugen mittels Webservice (links).
(Bild: Schmid Elektronik)

Wurde der Energieverbrauch bisher vor und nach der Fahrt manuell gemessen, so kommen heute Transponder zum Einsatz. Je nach Energietyp wird daran ein Durchfluss-, Gas- oder Joulesensor angeschlossen. Über Assisted-GPS wird außerdem laufend die Position erfasst. Ein Display zeigt dem Piloten während der Fahrt die wichtigsten Parameter an.

Gleichzeitig werden alle Daten im JSON-Format mittels MQTT (Publish Subscribe-Messaging-Protokoll) via Mobilfunknetz oder WiFi in eine IIOT-Plattform in der Cloud geschrieben und von da an jeden gewünschten Ort geliefert.

Dem technischen Team steht immer ein lokaler Webserver zur Verfügung, der die Zustandsdaten aller Softwaredienste, die im Linux-Betriebssystem als „Daemons“ implementiert sind, auf dem Tablett sichtbar macht. Dazu gehören: Sensorservices, Digital und Analog I/O, Batterieüberwachung, GPS-Service, Mobile Service (3G/4G) Sensordaten und Wake-Up-Service.

Paddock, Parc Fermé, Kommandozentrale

Der Ablauf eines Rennens folgt einem fixen Schema. Meistens befinden sich die Fahrzeuge mit den Teams in den sogenannten Paddocks/Stallungen. Hier werden sie getunt, repariert und auf das nächste Rennen vorbereitet. Das technische Team bringt jeweils die Transponder vorbei und erklärt den Studenten den Einbau ins Fahrzeug und wie die Sensoren und Antennen zu montieren sind.

Anschließend schalten die Teams die Transponder ein; diese werden auf der LabVIEW-Überwachungsplattform sichtbar und ein Techniker erledigt die Verifikation. Die Testergebnisse werden in einem für alle zugänglichen Google-Sheet festgehalten.

Verschiedene LabVIEW-Tools, von der Diagnose, Konfiguration, Datenverarbeitung bis hin zur Analyse sind im Einsatz. Links die Analyse der geloggten GPS-Daten, rechts die in DIADEM zusammengeführten Messwerte, korreliert mit dem Energieverbrauch.
Verschiedene LabVIEW-Tools, von der Diagnose, Konfiguration, Datenverarbeitung bis hin zur Analyse sind im Einsatz. Links die Analyse der geloggten GPS-Daten, rechts die in DIADEM zusammengeführten Messwerte, korreliert mit dem Energieverbrauch.
(Bild: Schmid Elektronik)

Kurz vor dem Rennen werden die Fahrzeuge in den „Parc Fermé“ verschoben. Hier erfolgen die letzten Funktionstests der Transponder über das lokale WLAN. Dann geht’s auf die Strecke, wo die Daten nur über Mobilfunk zugänglich sind. Ab diesem Zeitpunkt überwacht das technische Team jedes einzelne Fahrzeug über das IOT und hält die Rennstrategie und den Treibstoffverbrauch fest. Die Daten werden anschließend mit LabVIEW verarbeitet, mit DIADEM ausgewertet und nach dem Rennen an die Teams übergeben. Dies hilft ihnen, an ihrer Technik und Strategie zu feilen.

Konfiguration und Überwachung mit LabVIEW

Mit LabVIEW mehrere Fahrzeuge in Schach halten und drahtlos über TCP/IP jeden einzelnen Linux-Sensordienst scannen. Im Beispiel werden von 30 Fahrzeugen die Batteriezustände und die GPS-Position überwacht.
Mit LabVIEW mehrere Fahrzeuge in Schach halten und drahtlos über TCP/IP jeden einzelnen Linux-Sensordienst scannen. Im Beispiel werden von 30 Fahrzeugen die Batteriezustände und die GPS-Position überwacht.
(Bild: Schmid Elektronik)

Zur Einstellung und Überwachung der Transponder entwickelte Schmid Elektronik mit LabVIEW eine Reihe von Tools. Dazu gehören Diagnose-, Konfgurations- und Auswertungs-Tools, so etwa ein GPS-Locator. Damit ließen sich jeweils die übers ganze Gelände verstreuten Fahrzeuge finden.

Die Tools kommunizieren über das lokale WLAN via TCP/IP-Sockets über ein definiertes API mit den einzelnen Sensordiensten (Linux-Daemons) auf dem Transponder. Das wurde über instanziierbare VI’s (virtuelle Instrumente) realisiert. Pro Servicetyp gibt es ein VI, welches das Lesen und Interpretieren der Daten sowie das Verschicken von Befehlen und Konfigurationen übernimmt.

Die VI’s lassen sich dynamisch laden, was das Handling von mehreren Diensten auf mehreren Geräten gleichzeitig auf einfache Weise ermöglicht. In einem typischen Setup werden so 30 Geräte mit je acht Services, also insgesamt 240 Ports, bedient. Ein einzelnes „Super-VI“ behandelt autonom eine Verbindung pro Instanz. Verbindungen werden aufgebaut und wenn nötig getrennt, ohne dass dies von der übergeordneten Applikation gesteuert werden müsste. Der Verbindungszustand mit allfälligen Time-Outs wird bei jedem Aufruf geprüft. Die Aufrufe sind dabei nicht blockierend ausgeführt.

Phase 2: Mit Null Energie über die Ziellinie!

Im Vergleich zur Phase 1, dem Marathon, geht es bei diesem neuen SEM-Element zu wie bei der Formel 1: Derjenige Fahrer, der als erstes die Ziellinie überfährt, gewinnt. Im Halbfinale traten insgesamt 24 Teams in Achtergruppen in je einer Energiekategorie gegeneinander an. Die jeweils zwei Besten jeder Kategorie erhielten einen Startplatz im Finale.

Das Leaderboard (links) zeigt während des Rennens die Rangliste und die jeweils noch zur Verfügung stehende Energie. Auf der Karte (rechts) ist die Position der Fahrzeuge auf der Rennstecke sichtbar.
Das Leaderboard (links) zeigt während des Rennens die Rangliste und die jeweils noch zur Verfügung stehende Energie. Auf der Karte (rechts) ist die Position der Fahrzeuge auf der Rennstecke sichtbar.
(Bild: Schmid Elektronik)

Während des Rennens wurden dem Publikum dank der eingebauten Transponder die Fahrzeugposition, der noch vorhandene Treibstoff sowie die Rangliste live auf einer Kinoleinwand präsentiert. Der Clou: jedem Fahrzeug wurde dabei eine bestimmte Menge an Energie zugeteilt. Sobald diese verbraucht war, stoppte ein Relais das Fahrzeug. Die Fahrstrategie bestand also darin, einerseits so schnell wie möglich zu fahren, aber gleichzeitig die noch verfügbare Energie im Auge zu behalten.

Im besten Fall fährt der Pilot mit dem allerletzten Tropfen und maximaler Geschwindigkeit über die Ziellinie. Das ist der Universität Pendidikan aus Indonesien mit ihrem Elektromobil nach einem sensationellen und spannenden Kopf-An-Kopf-Rennen und vor dem mitfieberndem Publikum geglückt.

* Marco Schmid... ist Diplom-Ingenieur (FH) für Systemtechnik und Inhaber des Lösungsanbieters Schmid Elektronik in Münchwilen/Schweiz. Er ist einer der Referenten des diesjährigen IoT-Kongresses (www.iot-kongress.de).

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