Experten-Forum Powertrain: Komponenten und Kompetenzen zukünftiger Antriebe 2022

Bei der Entwicklung moderner Brennstoffzellensysteme für die mobile Anwendung kommt Systemsimulation für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten zum Einsatz, die von der Konzept- und Komponentenauslegung bis zum digitalen Zwilling am virtuellen Prüfstand reichen. Ein effizienter Einsatz von Simulation erfordert skalierbare und konsistente Modelle, sowohl in der Vielfalt der Anwendungsgebiete, als auch in der Breite der Modellierung (Zelle – Stack – System – Fahrzeug). Dieser Beitrag beleuchtet die spezifischen Anforderungen an die Simulationsumgebung und präsentiert anhand ausgewählter Beispiele einen ganzheitlichen Ansatz zur Brennstoffzellensystemsimulation als Wegbereiter für eine durchgängige simulationsgestützte Entwicklungsmethodik.

Zur Modellierung von Brennstoffzellen- und Fahrzeugkomponenten kommt eine multi-physikalische Simulationsumgebung mit skalierbarer Modellierungstiefe von 1D bis 3D zum Einsatz. In detaillierten Komponentenmodellen für Stack und Nebenaggregaten (Luftkompressor, Befeuchter, Strahlpumpe, Wasserabscheider, Rezirkulationspumpe) werden die wesentlichen thermodynamischen und elektrochemischen Prozesse physikalisch beschrieben, um neben der geforderten Genauigkeit auch Extrapolierbarkeit zu gewährleisten. Numerische Robustheit und schnelle Rechenzeiten ermöglichen bedingungslose Echtzeitfähigkeit als Grundvoraussetzung für den erfolgreichen Einsatz an virtuellen Prüfständen.

Eine ausgewählte numerische Fallstudie behandelt die Alterung und Lebensdaueranalyse der Brennstoffzelle. Dafür wird ein System mit zyklischer Anodenspülung modelliert, bei dem der Gasauslass während des Betriebs weitestgehend geschlossen ist. Der Betriebsmodus bedingt lokale Unterversorgung mit Wasserstoff, was zu erhöhten Spannungsgradienten und damit beschleunigter Membran- und Katalysatoralterung führt. Die Fallstudie zeigt den Einfluss von Betriebsstrategien auf den Zielkonflikt zwischen Alterung und Verbrauch. Weiters wird der Einfluss des Alterungszustandes auf die Systemleistung anhand von Polarisationskennlinien und elektrochemischer Impedanzspektroskopie dargestellt.

Wasserstoff ist ein möglicher zukünftiger Energieträger für die Transformation zur Klimaneutralität. Neben der Brennstoffzelle hat gerade auch im Off-Highway-Bereich der Wasserstoff-Verbrennungsmotor ein großes Potenzial hinsichtlich Kosten und Robustheit. Bei der DEUTZ AG ist daher der TCG 7.8 H2 in der Entwicklung, der 2024 in Serienproduktion gehen wird. Bei der Entwicklung dieses Motors wurden zunächst sämtliche Komponenten einzeln, aber auch im Zusammenspiel des Gesamtmotors, mit den Werkzeugen der Simulation ausgelegt und simulativ getestet. Hierzu gehörten neben einzelnen Baugruppen, zum Beispiel der Wasserstoffeinblasung oder der Aufladung, auch der virtuelle Betrieb des Motors in typischen Applikationen mit dem dafür erforderlichen Motormanagement. In diesem Vortrag werden die für die thermodynamische Entwicklung des TCG 7.8 H2 verwendeten rechenbasierten Werkzeuge, und die damit erzielten Ergebnisse mit dem Fokus auf Aufladung und Motorsteuerung vorgestellt und diskutiert.

Mit einer zunehmenden Elektrifizierung der individuellen Mobilität und des Nutzfahrzeugsektors, erhöht sich die Bedeutung des Thermomanagements als wesentlicher Bestandteil des Energiemanagementsystem von Antriebssystemen. Insbesondere elektrische Antriebskomponenten und Brennstoffzellensysteme weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber thermischen Randbedingungen auf, die sich entscheidend auf den Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs auswirken. Um frühzeitig das Potenzial von Thermalkreislaufkonzepten sowie Thermomanagementbetriebsstrategien untersuchen und bewerten zu können, müssen neue Entwicklungsmethoden und -systeme in den Entwicklungsprozess aufgenommen werden. Da in frühen Entwicklungsphasen häufig keine Prototypen als Hardware vorliegen, bieten simulative Ansätze eine gute Möglichkeit zur Abbildung einzelner Komponenten im Thermalkreislauf. Gleichzeitig bedarf es zur Dimensionierung von Komponenten, Untersuchung von Strömungseffekten und Erprobung von Konzepten der Testung am realitätsnahen Aufbau. In diesem Vortrag wird die Verbindung von Simulation und Test durch das ThermoLab vorgestellt. Es ermöglicht die Entwicklung von innovativen Thermalkreislaufkonzepten zur Erfüllung zukünftiger Anforderungen an Thermomanagementsysteme in frühen Entwicklungsphasen. Im Fokus steht die Methodikerweiterung durch das ThermoLab sowie die Verwendung als Entwicklungstool.

Die Elektrifizierungsgrade der aktuellen und zukünftigen Fahrzeugflotten bedürfen einer präzisen Analyse und effektiven Steuerung der sich an Bord des Fahrzeugs befindenden Energiespeicher und -transferpfade. Der Antriebsstrang eines Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugs (‚PHEV‘) besteht aus mehreren Energiespeichern und Energiewandlern und ermöglicht mehrere Betriebsmodi, um das Fahrzeug anzutreiben. Die angewandten Betriebsmodi sind entscheidend für den tatsächlichen Kraftstoffverbrauch und die Rekuperation von Bewegungsenergie. Die optimale Steuerung der Betriebsmodi stand bereits im Fokus zahlreicher Studien zur Energiemanagementstrategie (‚EMS‘). Sie bietet wertvolle Einblicke in die Verbesserung der gegenwärtigen EMS und wird häufig für das Benchmarking etablierter EMS Designs verwendet. Das Ziel der Energieverbrauchsminimierung erfordert die Online-Anpassung der EMS an alle möglichen Nutzungsprofile des PHEV. In diesem Beitrag wird ein präziser und recheneffizienter ECMS-Regler (Equivalent Consumption Minimization Strategy) auf ein dynamisches vorwärtsgewandtes Simulationsmodell eines PHEV mit integriertem Fahrzeugthermomanagement (‚VTM‘) angewendet mit dem Ziel, die EMS unter sommerlichen, milden sowie winterlichen Umgebungsbedingungen zu verbessern. Der in (Zagun M, Lodaya D, Okarmus M, Zeman J, Vankayala S, De Araujo P „Dynamic Simulation using ECMS Controller with Integrated Vehicle Thermal Management to Optimize the HEV Fuel Economy on a Real-Driving Cycle,“ in SIA Powertrain & Energy 2022, 2022) eingeführte modellbasierte ECMS-Regler erlaubt es alle zulässigen Betriebsmodi des PHEV zu analysieren und verspricht die Optimalität der EMS unter Berücksichtigung des VTM-Systems zu erhöhen. Die resultierende EMS des virtuellen Fahrzeugs wird mit der traditionellen ECMS Steuerungsstrategie verglichen, welche die Integration des VTM-Systems (z. B. über die Temperatur der Antriebskomponenten und über die parasitäre Last der Nebenverbraucher) vernachlässigt. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Bedeutung der Integration des Thermomanagements mit dem Energiemanagement.

Mit dem Wechsel von konventionellen Antrieben hin zu alternativen gewinnt der Elektromotor als Traktionsmotor im Fahrzeug immer mehr Bedeutung. Anders als beim Verbrennungsmotor, bei dem üblicherweise die Dauer- der Spitzenleistung entspricht, unterscheiden sich diese beim Elektromotor je nach Kühlkonzept zum Teil erheblich. Je nach Applikation und Nutzungsprofil kann die Maschine während des Betriebs an ihre thermische Grenze gebracht werden und dann nur noch mit reduzierter Leistung weiter betrieben werden. Ziel der optimierten Betriebsstrategie sollte sein, möglichst nahe an die thermische Grenze heranzufahren, ohne diese jedoch zu überschreiten. Das thermische Netzwerk niedriger Ordnung kann als quasi Echtzeit-Temperaturabschätzung verwendet werden, jedoch können Abweichungen zwischen dem Modell und dem Motor im realen Betrieb auftreten. Dies kann auf eine ungenaue Temperaturabschätzung des Temperaturmodells zurückgeführt werden. Um die Genauigkeit des thermischen Netzwerks auch unter diesen Einflussgrößen zu optimieren, ist die Untersuchung von Maßnahmen zur Abweichungsreduzierung notwendig. In diesem Beitrag wird ein thermisches Netzwerk niedriger Ordnung für elektrisch erregte Synchronmaschinen präsentiert. Basierend auf dem Abkühlungsverhalten werden die initialen Temperaturen des Motors während des Motoranlaufs abgeschätzt. Für die Abweichungsminimierung während des Betriebs des Motors wird die Sensordatenintegration in den Kalman-Filter im thermischen Netzwerk untersucht. Anhand von Prüfstandsmessungen werden diese Konzepte validiert und miteinander verglichen.

In an electric vehicle, the electric motor influences a significant proportion of the losses in the powertrain. The requirements for ever higher power and the necessary limitation of the winding temperatures have led to the active cooling of the windings with oil becoming increasingly important. Oil and oil mist inside the motor pose the risk of oil penetrating the gap between rotor and stator, leading to an increase in frictional losses. To address this important topic, a fully coupled CHT (Conjugate Heat Transfer) model was developed and is presented in this paper. Combining the best of two worlds, an efficient VoF (Volume of Fluids) approach with adaptive mesh refinement and a highly de-tailed Lagrangian approach are used considering:

Using this new approach, several engine speeds were analyzed. The simulations were supported by optical measurements using an experimental stator with the real geometry and implemented optical access window.

This paper gives more insight into the measurement and simulation method chosen and the results from both. Depending on the motor speed, a significant amount of oil could be detected in the gap between rotor and stator. The detectable flow conditions vary also with the speed of the motor. For example, a peak in drag torque is visible at lower motor speeds. The investigations confirmed the suitability of the simulation approach and showed a good correlation between simulation and measurement. The method is well suited for predicting and solving future challenges in the development of oil cooling for electric motors.

In der Automobilindustrie sind derzeit mehrere Trends zu beobachten, die die Auslegung von Schwingungen und Geräuschen (Noise, Vibration and Harshness, NVH) für neue Fahrzeuge oder Plattformen beeinflussen. Zum einen werden viele Achssysteme an neue elektrifizierte Architekturen angepasst. Zweitens erzeugen E-Achsen im Vergleich zu nicht elektrifizierten Achsen bei höheren Frequenzen komfortrelevanten Körperschall. Darüber hinaus sind Virtualisierung und „Frontloading“ des NVH-Tunings zu sehen, um intensive Hardwaretests zu vermeiden. Die Kombination dieser Trends ist eine Herausforderung für alle Fahrzeughersteller (Original Equipment Manufacturer, OEM). Als ein weltweit führender Anbieter von NVH-Lösungen im Automobilbereich hat Vibracoustic einzigartige NVH-Achsprüfstände und virtuelle Ansätze entwickelt, um OEMs auf ihrem Weg zu überlegener NVH-Qualität zu unterstützen.

Vibracoustic verwendet proprietäre NVH-Prüfstände, um ganze Achsen ohne das umgebende Fahrzeug zu analysieren und zu optimieren. Kraftmessdosen an allen Schnittstellenpunkten, Beschleunigungssensoren und andere Signalquellen ermöglichen eine umfassende Charakterisierung der Achse. In unserer Veröffentlichung (Sell H, Löcken F, Kruse E, Reinauer A Holistic approach to axle NVH assessment and optimization. In Proceedings of chassis.tech 2021, ATZlive, Springer Nature, Wiesbaden 2021) haben wir uns auf das Frequenzband bis 250 Hz konzentriert, während die Achse entweder hydraulischen Anregungen an den Radnaben ausgesetzt ist oder auf einem Rollenprüfstand läuft. In dieser Präsentation wollen wir das Verfahren für E-Achsen-NVH bis 2 kHz erweitern sowie in die neuen Anwendungsmöglichkeiten von optischen Kinematikmesssystemen einführen.

Vibracoustic arbeitet mit OEMs zusammen, um ihre virtuellen NVH-Entwicklungs- und Optimierungsprozesse zu bereichern. In diesem Artikel stellen wir zwei neue Ansätze zur experimentellen Untersuchung der NVH-Leistung auf der Ebene kompletter E-Achsen vor und wie diese Ansätze verwendet werden, um das „Front Loading“ von NVH-Entwicklungen zu fördern.

In dieser Arbeit wird die Implementierung einer Kraftkoppelschnittstelle zwischen den Softwarepaketen FIRST und Motor-CAD präsentiert. Mit dieser Schnittstelle lassen sich elektromagnetische Kräfte in die elastische Mehrkörpersimulation einbringen. Die Implementierung wird anhand eines repräsentativen Models demonstriert. Das Ziel ist eine wettbewerbsfähige Berechnung und Analyse in Bezug auf Strukturdynamik und Akustik elektrischer Antriebssysteme.

Im Rahmen der zunehmenden Elektrifizierung werden an Werkstoffe stetig neue, insbesondere simultane Anforderungen an mehrere physikalischen Eigenschaften gestellt. Dabei führt oft die Optimierung einer gewünschten Eigenschaft oft zur Verschlechterung der anderen geforderten Eigenschaft. Ein Beispiel hierfür ist die Optimierung eines elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden Materials. Kunststoffbasierte Verbundwerkstoffe bieten die Möglichkeit durch Materialien mit Inklusionen gezielt physikalische Eigenschaften, insbesondere das elektrische und thermische Verhalten, einzustellen. In diesem Paper werden Verfahren zur virtuellen Materialcharakterisierung und Optimierung vorgestellt. Hierzu werden Methoden der Mikrostruktursimulation und Homogenisierung, sowie Metamodellierungstechniken verwendet. Durch Simulation der Struktur-Eigenschafts-Beziehung ist es möglich, die zur Entwicklung solcher Materialien experimentell oft aufwendige Prototypenherstellung und deren Charakterisierung zum größten Teil zu ersetzen und bessere Lösungen zu finden. Dadurch können relevante Materialeigenschaften, wie die thermische Leitfähigkeit oder mechanische Eigenschaften, z. B. das Kriechverhalten, virtuell bestimmt werden. Die hierbei ermittelten Werkstoffkennwerte und Materialkarten dienen anschließend als Input für die Simulation auf Bauteilebene. Diese Methoden bieten somit das Potenzial, die Produktentwicklungszeit zu verkürzen. Des Weiteren wird in diesem Paper ein Verfahren präsentiert, Verbundwerkstoffe mithilfe numerischer Simulation und Optimierungsverfahren gezielt gemäß speziellen Anforderungen zu entwerfen. Nach einer Einführung in die Methodik werden Anwendungsbeispiele für die virtuelle Materialcharakterisierung und Optimierung präsentiert.

Zur Erfüllung zukünftiger Abgasemissionsgesetzgebungen für die Individualmobilität und im Nutzfahrzeugbereich bedarf es immer besserer Konvertierungsleistungen der Abgaskatalysatoren und Filter, sowie der Abgaskonformität bei deutlich gesteigerten Laufleistungen. Die zunehmende Elektrifizierung, auch im Nutzfahrzeugbereich, erhöht die Komplexität der Abgasnachbehandlungssysteme und Betriebsstrategien und erschwert die Prädiktionsgenauigkeit von Alterungseffekten der Katalysatoren. Die sensorische Erfassung der Alterung der Katalysatoren, zur Sicherstellung von Niedrigstemissionen im gesamten Fahrbetrieb, ist ohne hochpräzise Messtechnik jedoch nicht möglich, sodass auf modelbasierte Ansätze zurückgegriffen werden muss. In diesem Beitrag wird das methodische Vorgehen zur Entwicklung einer fahrzeugunabhängigen, modellbasierten Prädiktion der Alterung von Abgasnachbehandlungssystemen dargestellt. Das Modell beruht auf dem Ansatz einer datengetriebenen KI, für deren Erstellung Messdaten einer diversen Fahrzeugflotte verwendet und analytisch aufbereitet werden.