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Über dieses Buch

Der Fokus bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen liegt heute auf der Detailoptimierung von Einzelkomponenten (z. B. E-Maschine) sowie der Groboptimierung von Eigenschaften des Gesamtfahrzeugs. Mittels der Methode der Co-Simulation wird es möglich, die thermischen Eigenschaften eines Elektrofahrzeugs als Ganzes und unter Berücksichtigung der Bauteilkosten zu optimieren. Herausforderungen dabei sind, neben der Auswahl einer geeigneten Optimierungsmethode, der Aufbau und die Validierung einer thermischen Co-Simulation sowie numerische Probleme bei der Kopplung. Wie sich zeigt, legt eine derartige Optimierung bedeutende Kostenpotenziale aus dem Zusammenspiel der einzelnen Komponenteneigenschaften offen und ermöglicht sowohl die Bewertung von Anforderungen und Technologien als auch den Einbezug von Kostenprognosen. Aus der Schar an Optimierungen lassen sich allgemeingültige thermische Richtlinien zur Anwendung auf andere Elektrofahrzeugkonzepte ableiten.

Der Autor
Michael Dobmann arbeitet bei einem deutschen Automobilkonzern in der Methodenentwicklung. Er promovierte am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe der TU Darmstadt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Der automobilen Welt steht der größte Wandel in Ihrer mehr als 100 jährigen Geschichte bevor. Waren in der Vergangenheit die meisten Innovationen im Bereich der Fahrzeugentwicklung, -produktion und -vertrieb zu finden, so werden sich in Zukunft die Geschäftsmodelle und angebotenen Dienstleistungen und Produkte der heutigen Automobilproduzenten grundlegend verändern (33). Gleichzeitig stellen sich neue Mitbewerber wie Uber, Google und Apple auf, um die neuen Felder des automatisierten Fahrens, des vernetzten Fahrzeugs und der Mobilitätsdienstleistungen mitzugestalten und zu verändern.
Michael Dobmann

Kapitel 2. Optimierungsmethoden in der Fahrzeugentwicklung (Stand der Technik)

Die Bedeutung von numerischen Methoden zur Auslegung und Optimierung in der Fahrzeugentwicklung nimmt stetig zu. Der Bereich der Elektrotraktion stellt dabei keine Ausnahme dar, sondern erfordert aufgrund grundlegender technischer Änderungen gegenüber konventionellen Fahrzeugen, Werkzeuge zur gezielten Beschleunigung der Fahrzeugentwicklung. Gerade aufgrund der fehlenden Erfahrungswerte ist der Bereich der Elektrotraktion fürWissenschaftler und Ingenieure besonders interessant.
Michael Dobmann

Kapitel 3. Lösungsansatz

Zur kosteneffizienten Auslegung von Elektrofahrzeugen soll mit mathematischen Hilfsmitteln genau jene Kombination von Komponenteneigenschaften gefunden werden, welche die festgelegten Fahrzeuganforderungen vollständig erfüllt und gleichzeitig die geringsten Kosten verursacht. Neben dem Nachweis der Funktionalität der Methode muss sichergestellt werden, dass die Methode einfach anwendbar ist. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Methode einen Mehrwert leisten kann.
Michael Dobmann

Kapitel 4. Gesamtfahrzeugsimulation

Durch den Einsatz von Simulation können Prüfstands- und Feldversuche reduziert werden sowie der Fokus der verbleibenden Versuche in Richtung Validierung, Abstimmung und Qualitätssicherung verschoben werden. Prüfstandsversuche und Abnahmefahrten bleiben jedoch trotz erhöhtem Einsatz der Simulation notwendig. Seit es aufgrund von Kosten (bestimmte Effekte sind kostengünstiger im Versuch als in der Simulation zu erforschen), rechtlichen Fragen (z. B. Fahrzeugcrash) oder dem Faktor Mensch (Fahrgefühl, Haptik).
Michael Dobmann

Kapitel 5. Aufbau und thermische Belastung eines batterieelektrischen Fahrzeugs

Soll ein real existierendes Fahrzeug optimiert werden, reicht es nicht aus nur die physikalischen Zusammenhänge im Fahrzeug zu untersuchen. Auch die Materialien und Herstellungsschritte müssen mit betrachtet werden, um die Eignung der Parameter für eine Variation sicherzustellen. So müssen beispielsweise die physikalischen Grenzen der Parameter bei der Optimierung berücksichtigt werden.
Michael Dobmann

Kapitel 6. Der Weg zur Co-Simulation

Bis ein Modell zur Simulation verwendet werden kann, sind neben dem reinen Aufbau des Modells weitere Schritte notwendig. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Validierung des Modells. Bei der Validierung handelt es sich um den Nachweis, dass der Modellaufbau und die Parametrierung die Validierungsdaten mit ausreichender Genauigkeit abbilden.
Michael Dobmann

Kapitel 7. Messung und Validierung

Neben der reinen Modellierung ist die Parametrierung und Validierung der Komponentenund Gesamtfahrzeugmodelle von zentraler Wichtigkeit. Erfahrungsgemäß beträgt der Zeitbedarf für die eigentliche Modellierung nur rund 20 – 30% der Modellerstellungszeit. Die restlichen 70 – 80% der Zeit wird für die Beschaffung von Messdaten und Parametern sowie zur Validierung gebraucht.
Michael Dobmann

Kapitel 8. Umsetzung des Lösungsansatzes

Vor dem Einlesen der Mess- und Simulationsdaten muss die allgemeine Form des Optimierungsproblems nach Gl. (3.24) an die Fragestellung angepasst werden. Die Grundidee ist dabei, dass alle Parameter p und Grenztemperaturen Tmax einen bestimmten Abstand zu dem dazugehörigen Referenzwert haben. D. h. anstelle einer aktuell abgesenkten Grenztemperatur von 95ºC bei einer Referenztemperatur von 100ºC wird die Differenztemperatur von –5ºC als Variable verwendet.
Michael Dobmann

Kapitel 9. Ergebnisse

Im folgenden Kapitel werden die, mit der in Kapitel 3 und 8 beschriebenen Methode erzeugten Resultate vorgestellt und genauer erläutert. Bei der Berechnung der optimalen Lösung und Stabilitätsbereiche wurden, falls nicht explizit anders spezifiziert, folgende Grundsätze stets eingehalten:
Michael Dobmann

Kapitel 10. Diskussion der Resultate

Aus den Resultaten der Optimierung lassen sich neben der spezifischen optimalen Lösung für definierte Randbedingungen, Muster aus den Lösungen ableiten. Diese Muster können die Entwickler neuer Fahrzeuge dabei unterstützen aus der Vielzahl der Parameter die relevanten Parameter auszuwählen und vorauszulegen.
Michael Dobmann

Kapitel 11. Zusammenfassung

Die kostenoptimale Auslegung der thermischen Eigenschaften in Elektrofahrzeugen ist durch Computersimulationen möglich und zeigt ungenutzte Potenziale von über 50 GE auf (1 GE ≈ 1$).
Michael Dobmann

Backmatter

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