Agil und virtuell

Die Beiratsmitglieder des Berliner Antriebsstrangsymposiums über Lösungsansätze in der Antriebsentwicklung

Am 30. November und 1. Dezember 2017 treffen sich beim Berliner Antriebsstrangsymposium von IAV Vertreter von OEMs, Zulieferern und Politik, um über die Antriebskonzepte der Zukunft zu diskutieren. In einer Kurzumfrage von Johannes Winterhagen für die automotion äußern sich die Beiratsmitglieder des Berliner Antriebsstrangsymposiums über die Herausforderungen in der Antriebsentwicklung und ihre Lösungsansätze.

„Der Gesamtantriebsstrang befindet sich in einem nie da gewesenen komplexen Umfeld. Die Entwicklung von Verbrennungsmotor, E-Motor und Getriebe kann nicht mehr unabhängig voneinander betrachtet werden“, so Tagungsleiter Matthias Kratzsch, Bereichsleiter Powertrain Systems Development bei IAV. „Wie werden Motoren und Getriebe zukünftig ausgelegt? Und was bedeutet die zunehmende Komplexität für die Entwicklungsprozesse?“ Agile Entwicklung, Aggregate-übergreifende Steuerungen und virtuelle Testverfahren sind nur einige Ansätze, die derzeit in der Automobilindustrie erprobt werden.

Die Leiter der Antriebs- und Motorenentwicklung von Audi, BMW, Daimler, MAN, Porsche und VW sowie Professor Göhlich von der Technischen Universität Berlin – alle Beiratsmitglieder des Antriebsstrangsymposiums – berichten von ihren Lösungsansätzen für die Herausforderungen der Antriebsentwicklung.

AUDI AG

Josef Bast, Leiter Antriebselektronik

Worin sehen Sie die größte Herausforderung bei der Entwicklung künftiger Fahrzeugantriebe?

Die größte Herausforderung sehen wir in der Integration aller notwendigen Antriebsstrangvarianten in die Elektronikarchitektur der Zukunft mit allen erforderlichen Funktionen und Diensten.

Die Vielfalt steigt in der Antriebswelt der Zukunft. Wie ist die daraus resultierende Komplexität zu meistern?

Die steigende Komplexität kann nur durch eine saubere Systementwicklung mit klaren Funktionsanforderungen und sauber definierten Schnittstellen beherrschbar gemacht werden. Die Erprobung und die Absicherung der Antriebsstrang- und der Fahrzeugfunktionen sowie der angebotenen Dienste müssen zusätzlich in einer kompletten Simulationsumgebung erfolgen, die schon in der frühen Projektphase verfügbar ist.

Was unterscheidet den Entwicklungsprozess der Zukunft von heute bewährten Methoden?

Der Entwicklungsprozess der Zukunft muss nicht nur das Fahrzeug selbst, sondern auch die Integration des Fahrzeugs in seine Umgebung berücksichtigen.

BMW AG

Prof. Dr. Christian Schwarz, Leiter Vorentwicklung Ottomotor
Dr. Christian Landerl, Leiter Entwicklung Ottomotoren

Worin sehen Sie die größte Herausforderung bei der Entwicklung künftiger Fahrzeugantriebe?

Als global tätiges Unternehmen halten wir Emissionsgesetze und Verbrauchsvorschriften in allen Weltregionen ein. Das stellt insofern eine Herausforderung dar, als dass sich die Gesetzgebung, insbesondere in der Europäischen Union und in China, derzeit sehr rasch weiterentwickelt. Dabei kommt es teilweise zu signifikanten Unterschieden in den Rahmenbedingungen verschiedener lokaler Märkte. Darauf reagiert BMW mit unterschiedlichen Ausprägungen der Antriebe, die aber dennoch weitgehend auf Basis der bestehenden Investitionen in Fertigungsanlagen bedient werden müssen.

Die Vielfalt steigt in der Antriebswelt der Zukunft. Wie meistern Sie die daraus resultierende Komplexität?

Zum einen gilt es, innerhalb einer bestimmten Antriebsarchitektur konsequent die bestehenden Baukästen für Motoren, Getriebe und elektrische Antriebe zu nutzen. Zum anderen muss die Integration von Antriebssystemen in die unterschiedlichen Fahrzeugarchitekturen abgestimmt erfolgen.

Was unterscheidet den Entwicklungsprozess der Zukunft von heute bewährten Methoden?

Um die hohe Vielfalt an Antriebsvarianten abzusichern, halten wir eine stärkere Virtualisierung der Entwicklungsprozesse für unumgänglich. Daran arbeiten wir im Rahmen einer von BMW bereits gestarteten Virtualisierungsoffensive. Bereits seit Jahren bezieht BMW das Fahrverhalten „normaler“ Kunden in seine Absicherungsprozesse ein – ein Trend, der sich in Zukunft weiter verstärken wird.

Daimler AG

Peter Lückert, Leiter Dieselmotoren Powertrain und Einspritzung
Dr. Norbert Merdes, Leiter Antriebselektronik

Worin sehen Sie die größte Herausforderung bei der Entwicklung künftiger Fahrzeugantriebe?

Die Daimler AG ist nicht nur Fahrzeughersteller, sondern vor allem Mobilitätsanbieter. Bei der Entwicklung unserer Antriebe stehen dabei ein größtmöglicher Kundennutzen, höchste Sicherheitsstandards und maximale Effizienz sowie die Umweltverträglichkeit im Vordergrund. Wir haben eine klar definierte Strategie für die Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren und die Serienentwicklung von elektrischen Antrieben. Wir sind offen für jede mögliche Technologie, die zur Effizienzsteigerung unserer Antriebe beitragen kann.

Die Vielfalt steigt in der Antriebswelt der Zukunft. Wie meistern Sie die daraus resultierende Komplexität?

Wir setzen bewusst nicht auf eine Antriebsform, sondern auf maßgeschneiderte Lösungen. So können wir auch in Zukunft alle Kundenbedürfnisse abdecken. Nicht zuletzt mit Blick auf unsere überaus breite Fahrzeugpalette vom Cityflitzer smart bis hin zum Truck: Neben reinen Elektrofahrzeugen mit Batterie oder Brennstoffzelle treiben wir auch weiterhin unsere Plug-in-Hybrid-Offensive voran. Wir optimieren auch unsere Verbrennungsmotoren immer weiter. Durch die Integration von 48-Volt-Systemen in Kombination mit Startergeneratoren werden perspektivisch alle Mercedes-Benz-Baureihen elektrifiziert sein.

Was unterscheidet den Entwicklungsprozess der Zukunft von heute bewährten Methoden?

Die Komplexität in der Antriebswelt verlangt nach skalierbaren Lösungen, auch in der Entwicklung. Mit dem Central Powertrain Controller (CPC) haben wir beispielweise ein zentrales Powertrain-Steuergerät, das vom konventionellen Antrieb über Teilelektrifizierung mit 48-V-Systemen bis hin zu Hochvoltsystemen unserer Plug-in-Hybride und batterieelektrischen Fahrzeuge die Momentenstruktur, Betriebsstrategie und das Energiemanagement abdeckt. In der Antriebselektronik entwickeln wir unsere Inhouse-Software zunehmend agil. So können wir zeitnah und flexibel auf sich ändernde Rahmenbedingungen reagieren und kontinuierlich Werte an unsere Kunden liefern – intern und extern. Die Absicherung und Applikation, speziell in der frühen Entwicklungsphase, geschieht dabei zunehmend rein digital.

MAN Truck & Bus AG

Max Löffler, Leiter Projekte und Services in der Elektrik-/Elektronikentwicklung

Worin sehen Sie die größte Herausforderung bei der Entwicklung künftiger Fahrzeugantriebe?

Wir werden im Nutzfahrzeug zukünftig sowohl klassische Verbrennungsmotoren als auch alternative Konzepte, wie Hybride und batterieelektrische Antriebe, in Kombination mit diversen Getriebevarianten verbauen. Damit steigen die Anzahl der möglichen Antriebsstrangkonzepte und die daraus resultierende Komplexität deutlich an. Aus den möglichen Konzepten nun für den jeweiligen Anwendungsfall die Lösung mit dem optimalen Kosten-Nutzen-Verhältnis auszuwählen und zu realisieren, stellt eine weitere Herausforderung dar. Um die Entwicklungszeiten und -kosten möglichst gering zu halten, muss die Anzahl der zu entwickelnden Varianten klein gehalten werden. Last, but not least ist trotz des Einsatzes der neuen Technologien eine gleichbleibend hohe Qualität des Antriebsstrangs sicherzustellen.

Die Vielfalt steigt in der Antriebswelt der Zukunft. Wie meistern Sie die daraus resultierende Komplexität?

Aus Sicht von MAN versuchen wir die Komplexität durch eine modulare Funktionsarchitektur zu meistern; diese Architektur umspannt die gesamte Längsdynamikregelung des Fahrzeugs. Kunden- und strategische Funktion werden zentralisiert und aggregateunabhängig dargestellt. Ein Aggregat wird damit zu einem intelligenten Aktuator, der zum Beispiel eine Drehzahl/Drehmomentenanforderung umsetzt, aber nicht mehr selbst berechnet. So ist es relativ leicht, ein Aggregat durch ein anderes zu ersetzten, ohne dass tief greifende Eingriffe in die übergeordnete Funktion notwendig sind. Außerdem setzen wir im Nutzfahrzeug nur wenige Hardwaregrundmodule ein. Die benötigte Varianz im Antriebsstrang wird über eine umfangreiche Softwareparametrierung am Bandende erzeugt.

Was unterscheidet den Entwicklungsprozess der Zukunft von heute bewährten Methoden?

Die Antriebsstrangentwicklung wird zukünftig auf eine Mischung aus V-Modell und agilen Entwicklungsmethoden zurückgreifen. Die heutige Praxis, funktionales Verhalten alleinig auf Basis von Kennfeldern und Parametern darzustellen, wird aufgrund der steigenden Komplexität nicht mehr vernünftig darstellbar. Abhilfe schafft hier die Verwendung von stärker modellbasierten Ansätzen. Damit lassen sich aus unserer Erfahrung Applikationsaufwände um bis zu 50 Prozent reduzieren.

Porsche AG

Martin Kerkau, Leiter Aggregateelektronik

Worin sehen Sie die größte Herausforderung bei der Entwicklung künftiger Fahrzeugantriebe?

Die Entwicklung künftiger Fahrzeugantriebe wird vielseitiger und komplexer. Einerseits ist die Entwicklung von elektrischen Antrieben für die Reduzierung von CO2-Emissionen erforderlich, aber auch eine Weiterentwicklung der konventionellen Antriebe ist weiterhin notwendig. Dabei kann auch eine Berücksichtigung von Gasantrieben sinnvoll sein. Bei der Entwicklung der alternativen Antriebe ist auch die Infrastruktur und die Kundenakzeptanz (Reichweite) zu berücksichtigen. Andererseits hat die Komplexität der Antriebssysteme insbesondere mit den Hybridantrieben zugenommen. Der stärkeren Vernetzung der Funktionen kommt dabei eine hohe Bedeutung zu. Daher kann nicht nur die einzelne Komponente entwickelt werden, sondern das gesamte Antriebssystem muss von der frühen Phase bis zum SOP betrachtet werden.

Die Vielfalt steigt in der Antriebswelt der Zukunft. Wie ist die daraus resultierende Komplexität zu meistern?

Zunächst ist eine Organisation wichtig, in der die Systemverantwortung gelebt wird. Weiterhin sind Tools zur Entwicklung des Systems von entscheidender Bedeutung. Dazu gehören digitale Entwicklungsmethoden wie vernetzte Hardware-in-the-Loop-Prüfstände aber auch Antriebsverbundprüfstände.

Was unterscheidet den Entwicklungsprozess der Zukunft von heute bewährten Methoden?

Es wird eine Verlagerung der Entwicklung in die frühe Phase erforderlich sein, um die Komplexität meistern und die Erfüllung der verschärften Gesetzgebung sicherstellen zu können. Dabei ist ein Hardware-in-the-Loop-Prüfstand insbesondere in der frühen Phase zur Entwicklung der Funktionen im Zusammenspiel zwischen Motor und Getriebe, aber auch zu den Schnittstellen zum Gesamtfahrzeug erforderlich. In der nachgelagerten Phase werden am Antriebsverbundprüfstand die Funktionen an der Hardware getestet und entwickelt, bevor der Antriebsstrang im Fahrzeug eingesetzt wird.

Technische Universität Berlin

Prof. Dr. Dietmar Göhlich, Leiter Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik

Worin sehen Sie die größte Herausforderung bei der Entwicklung künftiger Fahrzeugantriebe?

Da es in Zukunft eine Vielzahl von Antriebstopologien geben wird, hat jede Option auch ihre spezifischen Herausforderungen. Klar ist aber, dass es bei den Verbrennungsmotoren – ob nun mit oder ohne Hybridisierung – neben den absehbaren CO2-Zielen in Zukunft vermehrt um die weitere Verringerung der Schadstoffemissionen im Realbetrieb gehen wird. Bei den elektrifizierten Antrieben werden neben der Weiterentwicklung der Batterietechnik insbesondere innovative Ladetechnologien (Schnellladen, induktives Laden) im Vordergrund stehen. Zum Beispiel können im Zusammenspiel mit dem autonomen Fahren aus Fahrzeugstandzeiten (insbesondere im urbanen Umfeld) in Zukunft „Ladezeiten“ werden und die (teure) Ladeinfrastruktur kann effizienter genutzt werden.

Die Vielfalt steigt in der Antriebswelt der Zukunft. Wie meistern Sie die daraus resultierende Komplexität?

Mit einer Weiterentwicklung der bestehenden Modulkonzepte lässt sich die interne Vielfalt bis zu einem gewissen Grad von der externen Vielfalt entkoppeln. Wahrscheinlich werden aber trotzdem einige stückzahlschwache Varianten entfallen müssen. Und es wird darum gehen, die Effizienz der Entwicklungsprozesse weiter zu steigern, um mit gleichbleibenden Kapazitäten die verschiedenen Antriebe mit hoher Qualität entwickeln zu können.

Was unterscheidet den Entwicklungsprozess der Zukunft von heute bewährten Methoden?

Der „digitale Zwilling“ hat noch lange nicht alle möglichen Entwicklungsdomänen durchdrungen. Außerdem erwarte ich, dass künstliche Intelligenz auf der Basis (selbst lernender) digitaler neuronaler Netze nicht nur die Produkte, sondern auch die Prozesse der Zukunft grundlegend verändern wird. Hier liegen Optimierungspotenziale, die wir heute noch gar nicht abschätzen können.

Volkswagen AG

Dr. Wolfgang Demmelbauer-Ebner, Leiter Ottomotoren-Entwicklung

Worin sehen Sie die größte Herausforderung bei der Entwicklung künftiger Fahrzeugantriebe?

Die Anpassung des gesamten Produktportfolios an die neuen Rahmenbedingungen der Euro-6-Abgasgesetzgebung benötigt derzeit enorme Kapazitätsanteile innerhalb der Entwicklung. Insbesondere die Umsetzung der RDE-Rahmenbedingungen als auch die Umsetzung des neuen Fahrzyklus WLTP werden besonders „sportlich“. Daneben bleibt jedoch langfristig das Ziel der weiteren CO2-Reduzierung im Fokus. Mit neuen Motorkonzepten, weitergehender Elektrifizierung und Nutzung alternativer und regenerativer Kraftstoffe werden hier weitere Potenziale gehoben.

Die Vielfalt steigt in der Antriebswelt der Zukunft. Wie meistern Sie die daraus resultierende Komplexität?

Die steigende Komplexität und die gleichzeitig immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen erfordern die Nutzung neuester Methoden und Prozesse im Entwicklungsalltag. Die Fokussierung auf Kernkompetenzen und die effiziente Zusammenarbeit mit den besten Entwicklungsdienstleistern sichert die zeitgerechte Anpassung unserer Produkte an die sich immer schneller wandelnden Kundenbedürfnisse.

Was unterscheidet den Entwicklungsprozess der Zukunft von heute bewährten Methoden?

Wir werden zukünftig viel mehr virtuell entwickeln und erproben. Dadurch werden wir schneller und effizienter. Hierbei helfen uns beispielsweise unsere Virtual Engineering Labs, die an mittlerweile sechs Standorten weltweit die Zusammenarbeit unserer Ingenieure zeitgleich über Kontinente hinweg ermöglichen. Auch dabei werden zukünftig unsere Entwicklungsdienstleister eine größere Rolle spielen.

Dr. Axel Heinrich, Leiter Konzernforschung

Worin sehen Sie die größte Herausforderung bei der Entwicklung künftiger Fahrzeugantriebe?

Die enorm gewachsene Bandbreite an Antriebstechnologie und Antriebskonzepten, von verbrennungsmotorischen Antrieben über Hybride bis hin zu batterie- und brennstoffzellenelektrischen Antrieben, erfordert eine Konzentration auf die jeweils marktund kundengerechten Lösungen zum richtigen Zeitpunkt. Hybridisierte Antriebsstränge werden unter deutlichem Kostendruck stehen, um unseren Kunden eine bezahlbare Mobilität zu ermöglichen, aber auch um bei nochmals gesteigerter Effizienz unter erweiterten RDE-Bedingungen strengste Emissionsvorschriften sicher erfüllen zu können. Dies gilt in gleicher Weise auch für rein elektrische Antriebstränge.

Die Vielfalt steigt in der Antriebswelt der Zukunft. Wie ist die daraus resultierende Komplexität zu meistern?

Kosten und Komplexität lassen sich nur durch Modulbildung bei den Antriebskomponenten und Konzentration auf wenige Fahrzeugplattformen und gegebenenfalls durch Verzicht auf die letzte Einzelkostenoptimierung zum Vorteil der Gesamtkosten im Volumensegment beherrschen. Darüber hinaus müssen Methoden genutzt oder auch entwickelt werden, die es erlauben, zumindest Teile der erforderlichen Funktionalitäten automatisiert zu übertragen, automatisiert zu erarbeiten oder aber modellbasiert darzustellen.

Was unterscheidet den Entwicklungsprozess der Zukunft von heute bewährten Methoden?

Es wird ein deutlich erhöhter Anteil an virtuellen Methoden in der Produktentwicklung zum Einsatz kommen (Berechnung, Simulation, automatisierte Optimierung, modellbasierte und sogar echtzeitfähige Funktionalitäten), um die Komplexität zu meistern. Der Versuchsaufwand selbst wird dabei voraussichtlich dennoch steigen, insbesondere für hybridisierte Antriebsstränge. Digitalisierung und Big Data werden die Methoden der Softwareentwicklung deutlich beeinflussen und Updates in kürzeren Zeiträumen ermöglichen, aber auch Rückwirkungen auf die Methoden der Hardwareentwicklung haben. Neue Formen der Zusammenarbeit wie die agile Entwicklungsmethodik helfen dabei, die Aufwandskurve trotz der zunehmenden Komplexität und Dynamik im Griff zu behalten.