Experten-Forum Powertrain: Komponenten zukünftiger Antriebe 2023

Durch den Europäischen „Green Deal“ wird die gesamte Industrie gefordert einen Wandel zu vollziehen. Dies schließt auch die bereits „saubere“ Technolgie eines Batterie elektrischen Fahrzeugs mit ein. Nachdem in diesem Bereich ein Durchbruch der Akzeptanz erreicht wurde, haben sich neue Herausforderungen offenbart: die Knappheit an Recoursen sowie die geopolitischen Verstrickungen erreichen das Niveau einer ethischen Diskussion. Gleichzeitig verlangen die Kunden –zurecht- ein Auto, welches ihren Bedürfnissen genügt und einen geringstmöglichen negativen Einfluss auf den Planeten Erde hat.

Hieraus folgt ein gesamtheitlicher, nachhaltiger Ansatz diese Herausforderungen zu einem erfolgreichen Ergebnis zu führen. So ist es immer zu bevorzugen die Menge an kritischen Materialien zu reduzieren oder sogar zu ersetzen, Produkte solange wie möglich am Leben zu erhalten und so transparent wie nur möglich zu sein. Dies kann durch den technisch notwendigen simplen, aber in der Umsetzung komplizerten Schritt, eine Hochvolt-Traktionsbatterie wartungsfähig zu bauen, erreicht werden. So ereicht man einen heute gängigen Ansatz einer Reparatur wie es bei Verbrennungsmotoren aktuell auch möglich ist. Um dies zu erreichen, benötigt es technische und organisatorische Vorbereitung.

Diese Anpassung beinhaltet neue Ansätze für die Konstruktion einer Traktionsbatterie, aber auch bei Funktionen im Battery Management System, wie dem Balancing. Auch eine unabhängige Identifikation muss hierzu geschaffen werden, die genügend Daten beinhaltet einem Kunden relavante Informationen wie State of Health bereitzustellen.

Ein solcher Ansatz würde die Anforderungen eines zur Zeit heiß diskutierten „Battery Passport“ übererfüllen, mit signifikanten Vorteilen für die gesamte Wertschöpfungskette, inklusive OEM und Batteriehersteller. Vor allem die Organisation einer großen Menge und Varianz von Batterien kann durch diesen neuen Ansatz massiv reduziert werden.

Lithiumionenbatterien (LIB) spielen sowohl in der Elektrifizierung der Mobilität als auch bei stationären Energiespeichersystemen der Zukunft eine Schlüsselrolle. Elektrochemische Modelle sind eine bewährte Methode, um die Performance von Lithiumionen-Zellen zu beschreiben. Das Modell beschreibt das Zellenverhalten mit fundamentalen Bilanzgleichungen für Masse und Ladung und berücksichtigt dabei Transportprozesse im Elektrolyten und der Elektrodenstruktur. Zusammengefasst wird hierfür ein Pseudo-2D-Ansatz (P2D) verwendet. Einer der wichtigsten Aspekte von elektrochemischen Modellen ist deren Parametrierung. Sie hat einen enormen Einfluss auf die Vorhersagegüte der Zellen-Performance in Betriebsbereichen, die zuvor nicht vermessen wurden, und ist daher essenziell für die Akzeptanz des ganzen P2D-Ansatzes. Im Rahmen des Vortrags wird ein sequenzieller Parametrierungsprozess diskutiert, in welchem konkrete Messgrößen mit den relevanten Modellparametern verknüpft werden. Daten werden aus Schlüsselexperimenten, die in der Zeit- und Frequenzdomäne analysiert werden, extrahiert und miteinander kombiniert. Damit kann gewährleistet werden, dass in jedem Prozessschritt nur die Mindestmenge an Daten verwendet wird. Der Parametrierungsprozess wird anhand von ausgewählten Zellen- und Elektroden-Beispielen diskutiert, welche dem aktuellen Stand der Technik entsprechen.

Batteriewechselsysteme finden im europäischen Kontext der Dekarbonisierung schwerer Nutzfahrzeuge bisher nur wenig Beachtung. Diese Arbeit fasst den Stand der prototypischen Realisierung des Batteriewechselsystems eHaul zusammen und motiviert, warum eine tiefergehende Analyse der Technologie erforderlich ist. Sie zeigt potenzielle Vorteile gegenüber anderen emissionsfreien Technologien auf und erörtert die betrieblichen Auswirkungen, die bei der bisherigen Entwicklung als wichtig erachtet wurden. Darüber hinaus wirft diese Studie Fragen für weitere Forschungen auf, die teilweise im weiteren Rahmen der Projekte eHaul und UniSwapHD behandelt werden.

Brennstoffzellen sind Schlüsseltechnologien zur sauberen Energieerzeugung, wandeln chemische Energie in elektrische um und finden in mobilen und stationären Anwendungen Verwendung. AVL CRUISE™ M ermöglicht die multidisziplinäre Simulation von Brennstoffzellensystemen, einschließlich Stack und BoP-Komponenten. Es ermöglicht die Analyse von Leistungsabgabe, Wirkungsgrad und Alterung. Dieser Beitrag zeigt den Einsatz von Simulationen – von der Systementwicklung bis zur Hardware-in-the-Loop-Validierung. Für detaillierte Untersuchungen auf Komponenten- und Systemebene sind 0D/1D-Ansätze in AVL CRUISE™ M geeignet. Das Modell wird für Echtzeitsimulatoren optimiert, um schnelle Berechnungen bei einer Abtastzeit von 1 ms oder schneller zu ermöglichen.

Am Beispiel der Echtzeitsimulationsanwendung NovaCarts wird der Aufbau eines HiL-Simulators für Fuel Cell Control Units (FCCU) beschrieben. Es wird gezeigt, wie das Echtzeitmodell über den FMI-Standard komfortabel in die Echtzeitsimulationsanwendung integriert werden kann. Am Beispiel der Testautomatisierungslösung EXAM erläutert der Beitrag zudem, wie sich standardisierte Testprozesse generieren lassen und wie diese in den Entwicklungsprozess integriert werden.

Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Anwendung eines digitalen Zwillings des eRocker Systems. Als Basis dient ein physikalisches Systemmodell, das alle relevanten Domänen wie z. B. Elektromagnetik, Mechanik oder Tribologie abbildet und zu dem Zweck der virtuellen Designunterstützung Verwendung findet. Ein Ziel dabei ist es, den Toleranzeinfluss von Designparametern auf die Schaltperformance, wie Schaltgeschwindigkeit und Strombedarf, analysieren zu können. Die dazu notwendigen Modellierungsansätze werden beschrieben sowie deren Nutzung in einem ganzheitlichen, domänenübergreifenden Systemmodell diskutiert. In einer Modell-Validierung wird die Anwendbarkeit des Systemmodells für den vorgesehenen Zweck gezeigt und die Zuverlässigkeit der Ergebnisse sichergestellt. Das Ziel, die Analyse von Parameter-Toleranzen, wird anhand einer Monte-Carlo Simulation verfolgt, die zur Bewertung von Toleranzeinflüssen und statistischen Verteilungen der Performance-Größen herangezogen wird. Die Ergebnisse dienen ebenfalls als Quelle für die Ableitung datenbasierter Ersatzmodelle auf Grundlage neuronaler Netze. Einmal erstellt, rechnen diese sehr effizient und erlauben es, die Simulationsmethoden für das gesamte Entwicklungsteam bereitzustellen. In einer Browser-basierten Web-App können einzelne spezifische Simulationen, Parameter-Sweeps oder auch Monte-Carlo Simulationen mit modifizierten statistischen Verteilungen in interaktiver Weise durchgeführt werden.

Eine sehr gute Kenntnis der Kolbensekundärbewegung ist vor dem Hintergrund der steigenden Anforderungen an Effizienzgewinn, Emissionsreduktion und der Verwendung zukünftiger Kraftstoffe für den Entwicklungsprozess von Großmotoren essentiell. Im Bereich der Simulation ist sie eine wichtige Randbedingung, z. B. für die Untersuchung des Tribosystems der Kolbengruppe, inklusive der Kolbenringdynamik und des Öltransports an den Kolbenringen. Neben einer zuverlässigen und genauen Prädiktion durch Simulation ist auch eine einfach zu implementierende und kostengünstige Messtechnik wesentlich für ein erfolgreiches Front-Loading.

Da die klassische, direkte Methode der Messung der Kolbensekundärbewegung sehr aufwendig ist, werden hier zwei neuartige, indirekte Methoden zur Erfassung der Kolbensekundärbewegung über Beschleunigungssensoren mit Telemetrie und buchsenfesten Druckmessungen vorgestellt.

Die Messungen werden von elastohydrodynamischen Simulationen begleitet. Dabei kommt ein neues, vereinfachtes Teilfüllungsmodell zum Einsatz, das eine sehr gute Übereinstimmung mit den Druckmessungen, sowie Indikatoren für das Ölangebot am Kolbenhemd liefert. Letzteres ist von großer Bedeutung für die zukünftige Betrachtung des Öltransports im Ringpaket, der u. a. für die Emissionsreduktion wesentlich ist.

Die neuen Messmethoden steigern die Prädiktionsgüte der Simulationsmodelle und liefern gleichzeitig einen dauerhaften und einfachen Zugang zu einem Indikator für die Kolbensekundärbewegung.

Die Entwicklungszyklen in der Automobilindustrie verkürzen sich zunehmend und machen bereits in einem frühen Entwicklungsstand eine möglichst holistische Systembewertung notwendig. Gleichzeitig führt ein zunehmender Komfortanspruch zu weiter gesteigerten Anforderungen an das NVH-Verhalten von Fahrzeugen. Besonders der Start des Verbrennungsmotors stellt bei Hybridfahrzeugen ein kritisches Ereignis für die schwingungstechnische Wahrnehmung dar. Dies muss im Entwicklungsprozess besonders berücksichtigt werden. Diese Veröffentlichung stellt eine Methodik vor, die es erlaubt, Startvorgänge mithilfe einer simulativen Untersuchung bereits in einem frühen Entwicklungsstadium zu optimieren. Dazu wurde eine Co-Simulation zwischen dem Mehrkörpersystem des Antriebsstrangs und der Regelung entwickelt. Während die Mehrkörpersimulation einen hohen Detailierungsgrad der mechanischen Zusammenhänge ermöglicht, wird über die Regelungssimulation eine Optimierung der Ansteuerung durchgeführt. Im mechanischen System werden besonders die durch den Verbrennungsmotor verursachten dynamischen Anregungen und die Kopplung mit der elektrischen Maschine modelliert. Auf Seiten der Regelung wird die Ansteuerung der beiden Energiewandler abgebildet, um sie in die Optimierung einzubeziehen. Ergebnisse der Co-Simulation sind Auslegungskriterien für Bauteile sowie Vorgaben für die Regelung eines akustisch optimierten Startvorgangs. Mithilfe abgeleiteter Zielvorgaben können Verbindungselemente zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine, wie Dämpfer oder Wellen, mechanisch ausgelegt oder überprüft werden. Für die elektrische Maschine werden Empfehlungen für dynamische Drehmomentverläufe abgeleitet. Die Verbindung mit der Regelungssimulation ermöglicht die direkte Einbindung der Steuergerätesoftware (Model in the Loop – MiL), um diese zu validieren und bei Bedarf zu optimieren.

Die Transformation der Fahrzeugentwicklung, getrieben durch verschiedene Megatrends, zwingt Fahrzeughersteller Entwicklungsressourcen intelligent auf wichtige Themenfelder zu verteilen. ZF ist einer der wenigen Player in der Branche, die alle wichtigen Komponenten für den elektrischen Antrieb selbst bzw. in Kooperation mit Herstellern entwickelt und eigenständig produziert. Somit baut ZF gerade im Hinblick auf den Gesamtsystemansatz auf eine langjährige, beispiellose Expertise. Der elektrische Antriebsstrang wird unter dem Gesichtspunkt der Optimierung des Gesamtfahrzeugs sowie des Fahrerlebnisses des Endkunden eigenschaftsbasiert entworfen. Das wird am Beispiel der Längsdynamik aufgezeigt. Ein entsprechend am Gesamtsystem orientierter Baukasten ist nach den Kernzielen geringer Kosten, bester Effizienz und höchster Leistungsdichte aufgebaut und dient als Grundlage, kundenspezifische Antriebe zeiteffizient aufzubauen. Dieser vielseitige Baukasten wird stetig weiterentwickelt, was anhand herausragender Innovationen bei E-Motor, Leistungselektronik und Getriebe erläutert ist. Die modelbasierte Entwicklung vereinfacht, präzisiert und beschleunigt die Auslegung der elektrischen Antriebe. Nach der Definition des Antriebs wird dieser in Gesamtfahrzeugmodellen untersucht. Somit kann geprüft werden, ob der Antrieb die gewünschten Eigenschaften des Fahrzeugherstellers erfüllt und das Fahrzeug mit diesem Antrieb fähig ist, die gewünschten Fahrmanöver des Endkunden zu erfüllen. Zusammengefasst zeigt sich, dass ZF als wichtiger Impulsgeber in der Antriebsentwicklung den Kundennutzen zur dominierenden Maßgabe für die Entwicklung macht und somit dem OEM ein starker und innovativer Partner ist.

Die Nachhaltigkeit von Batteriesystemen bekommt für deren Entwicklung in den letzten Jahren eine immer größere Bedeutung. Das Batterie Eco-Design 2.0 von IAV verbindet Nachhaltigkeitsaspekte mit einem performanten, sicheren und kostengünstigen Design und zeigt, wie die Elektromobilität schon heute nachhaltiger gestaltet werden kann. In dieser Arbeit wird das Thermomanagement des Eco Designs mittels 3D-CFD Simulation analysiert und der Einfluss der wichtigsten Materialsubstitution aus thermischer Sicht, Aluminium durch Stahl, dargelegt. Nachfolgend werden mögliche Kühlplattenlayouts für die Kühlung im Normalbetrieb vorgestellt und der Gewinn an Kühlperformance gegenüber dem bisherigen Kühlkonzept aufgezeigt. Um den Einfluss der Kühlplatte auf einen möglichen Thermal Runaway und dessen Propagation im Modul bewerten zu können, werden auch für diesen Fall Berechnungen durchgeführt. Es wird auf das vorhandene Entgasungssystem des Eco Design 2.0 verwiesen und die Auswirkungen der Modellierung des austretenden Gases auf die Propagationszeit von Zelle zu Zelle dargelegt. Abschließend werden Eingriffe in das Thermomanagementsystem des Moduls, wie zum Beispiel eine mögliche Seitenkühlung beschrieben und deren Effekt auf die Propagation im Modul durch Simulationen eingeordnet.

Für nichtrostende Edelstähle existieren in Abhängigkeit ihrer spezifischen Legierungszusammensetzung seit Dekaden funktionierende Kreislaufsysteme und weltweit etablierte Schrottkreisläufe, die in Kombination mit der Elektrolichtbogenofen-Technologie bereits heute einen Einsatz von über 90 % Recyclinganteil für nichtostende Edelstähle ermöglichen. Durch den parallelen Einsatz von mehr als 75 % CO₂-neutraler Elektrizität kann der CO₂-Fußabdruck in den europäischen Produktionsstandorten der Firma Outokumpu auf 30 % gegenüber dem weltweiten Industriedurchschnitt gesenkt werden. Um den Kunden in seiner CO₂-Berechnung transparent über die gesamte Wertschöpfungskette (Scope 1 bis 3) zu unterstützen, sind materialspezifische CO₂-Fußabdrücke (cradle-to-gate) verfügbar. Damit leisten nichtrostende Edelstähle in ihren vielfältigen Anwendungen seit Jahren einen wesentlichen Beitrag zum Thema Wiederverwendbarkeit und Nachhaltigkeit.

Darüber hinaus ist unter dem Namen „Circle Green®“ eine speziell auf Nach-haltigkeit optimierte Werkstoffgeneration einsatzbereit und großindustriell verfügbar, bei der durch den Einsatz verschiedener Schlüsselfaktoren wie Biokoks, Prozess- und Rohmaterialoptimierungen, die CO₂-Emissionen um 92 % gegen-über dem Industriedurchschnitt gesenkt werden konnten.

Neben dieser direkten Werkstoff-Nachhaltigkeit ergeben sich weitere Potenziale in Kombination mit der jeweiligen Anwendung, die als indirekte Werkstoff-Nachhaltigkeit bezeichnet werden kann. Durch die besonderen Eigenschaften nichtrostender Edelstähle wie ihre Korrosions- oder Hochtemperaturbeständigkeit besitzen Bauteile, die aus dieser Werkstoffgruppe hergestellt werden, in den meisten Anwendungen deutlich überlegene Bauteillebenszeiten. Die Korrosionsbeständigkeit macht zudem den Einsatz von Beschichtungen obsolet, was einen erheblichen, positiven Einfluss auf die CO₂-Bilanz des Bauteils und eine sortenreinere Wiederverwertbarkeit erlaubt. Die herausragende Kombination aus Festigkeits- und Dehnungseigenschaften der nichtrostenden Edelstähle erlaubt zudem einen signifikanten Leichtbau. Nichtrostende Edelstähle stellen damit im Kontext von Nachhaltigkeit, Kosteneffizienz und Bauteilanforderun-gen einen holistischen Ansatz dar.

In addition to battery electric, hybrid, and fuel cell powertrains, e-fuels are of great importance for CO₂-neutral mobility. In the future, several different scenarios depending on different boundary conditions are feasible, but most agree that all solutions for a CO₂-neutral world combined are going to be needed. Especially for large transportation systems, such as airplanes or ships, most probably liquid fuels will be used. Therefore, the interest in e-fuels increases and Power-to-X plants based on solar and wind energy are becoming common world-wide. Choosing the most advantageous e-fuel and determining the final production cost can vary depending on factors such as plant size, operation strategy, and local constraints like the available CO₂ source as well as wind and solar irradiance. Especially for smaller-sized plants in the MW power range, methanol production is a particularly viable choice. However, to validate a concrete business case at an early stage, a sophisticated simulation model is needed to optimize the operating strategy and the individual component sizes to unlock the full potential of the plant.

Therefore, FEV developed a simulation-based power-to-methanol plant layout methodology using GT-SUITE:

Die vorliegende Veröffentlichung gibt einen Einblick in die Entwickelung eines elektrischen Antriebs für mobile Arbeitsantriebe Die Entwicklung des E-Deutz System folgt stringent dem V-Prozess, der aus der Softwareentwicklung bereits jahrelang etabliert ist. Anhand von vielen Beispielen aus dem E-Deutz System wird der Prozess erläutert und gleichzeitig das Gesamtsystem vorgestellt. Wie auch im Prozess selbst werden Testergebnisse aus den unterschiedlichen Tests am Systemprüfstand oder auch der Kältekammer dargestellt und erläutert. Einen besonderen Fokus erhält die funktionale Sicherheit nach ISO 26262, wo-nach der Entwicklungsprozess vor kurzem erst konformzertifiziert wurde und das Produkt zum Ende des Jahres zertifiziert sein wird.

In diesem Paper wird ein Überblick über maßgeschneiderte Electric Drive Units (EDU) in Anwendungen von der Mikromobilität bis zu Heavy-Duty gegeben. Es wird eine Marktübersicht für elektrifizierte Fahrzeuge und verschiedene Anwendungen gegeben und die wichtigsten Auslegungskriterien für EDUs werden erläutert. Dabei müssen funktionale und nicht-funktionale Anforderungen berücksichtigt werden, wie z. B. Leistung, Effizienz, NVH-Verhalten, Dauerhaltbarkeit, EMV-Störfestigkeit und Wartungsfreundlichkeit.

Es werden drei Beispiele beschrieben, die die maßgeschneiderte Auslegung von EDUs für verschiedene Anwendungen darstellen: Das erste Beispiel beschreibt maßgeschneiderte EDUs für die Mikromobilität, bei denen Herausforderungen bei Schaltabläufen und spezifische Anforderungen an NVH bei E-Bikes berücksichtigt werden. Das zweite Beispiel zeigt die maßgeschneiderte Auslegung von EDUs für Passenger Cars. Hierbei werden die E-Motor-Auslegung, die virtuelle Validierung der Kühlperformance von EDUs und E-Motoren unter Verwendung von eFluids, Lagerhaltbarkeit und Optimierung durch einen innovativen FEV-Ansatz, Herausforderungen und Lösungen bei Lagerströmen und die Optimierung des NVH-Verhaltens behandelt. Das dritte Beispiel beschäftigt sich mit der maßgeschneiderten Auslegung von EDUs für Heavy-Duty-Anwendungen. Hierbei werden die Auslegung von Heavy-Duty EDUs mit Fokus auf Mehr-Gang statt 1-Gang Getrieben, die Dog-Clutch-Auslegung mit Mehrkörpersimulation (MKS), spezifische Anforderungen hinsichtlich Dauerhaltbarkeit, der Schaltablauf und maßgeschneiderte Getriebe-Software beschrieben.

Insgesamt zeigt dieses Paper, dass unterschiedliche und maßgeschneiderte EDUs für die Vielzahl von Anwendungen benötigt werden, um die Herausforderungen und Anforderungen jedes spezifischen Anwendungsfalls zu erfüllen.

Für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) mit 800-V-Systemen in Kombination mit der schneller schaltenden SiC-Wechselrichtertechnologie wird ein starkes Marktwachstum vorhergesagt. Im Rahmen dieser technologischen Entwicklung werden Sekundärphänomene wie parasitäre elektrische Ströme, die durch die Wälzkörper von Rotorwellenlagern fließen, größere Bedeutung erlangen. In den heutigen elektrischen Antriebssystemen sind bereits verschiedene Gegenmaßnahmen realisiert, um Lager vor Ausfällen durch „hochfrequente Kreisströme“ zu schützen.

Kreisströme können durch Unterbrechung des Stromkreises mittels eines isolierenden Bauteils zwischen Rotor und Stator bzw. Gehäuse eliminiert werden. Eine gängige und bekannte Maßnahme gegen Kreisströme ist die Verwendung von keramischen Wälzkörpern. Jedoch sind keramische Wälzkörper zum einen teuer und zum anderen nur begrenzt verfügbar.

Zur Lösung der funktionalen wie auch der wirtschaftlichen Probleme hat SCHAEFFLER ein isoliertes Lager entwickelt, bei dem eine Duroplastschicht im Spritzgussverfahren auf einen der Lagerringe aufgebracht wird. Die umspritzte Schicht kann alle anspruchsvollen Anforderungen eines modernen elektrischen Achsantriebs (hohe Präzision, Nenn- und thermische Belastungen, Verschleiß- und Medienbeständigkeit) erfüllen.