Mit der IAV-Antriebsstrangsynthese zur Fahrzeugflotte 2025

IAV-Studie zeigt Potenziale und konkrete Beispiele zur Flottenoptimierung

Die „Flotte 2025“ ist derzeit ein großes Thema bei allen OEMs. Wie lassen sich die CO2-Flottengrenzwerte bis dahin erreichen? Welche technischen Lösungen sind mit Blick auf ein spezielles Fahrzeugportfolio optimal? Antworten auf diese und viele weitere Fragen liefert die IAV-Antriebsstrangsynthese. In einer Studie hat IAV ihre Leistungsfähigkeit anhand einer Beispielflotte nachgewiesen.

Lediglich 75 Gramm CO2 dürfen typische Fahrzeugflotten voraussichtlich ab 2025 pro Kilometer emittieren. Schon heute müssen sich die OEMs darum Gedanken machen, mit welchen Technologien ihre ganz unterschiedlichen Flotten dieses Ziel erreichen können. Die IAV-Antriebsstrangsynthese ist ein ganzheitlicher, systematischer und teilautomatisierter Prozess, der solche Fragen beantwortet. Sie berücksichtigt dabei unter anderem alle relevanten Facetten und Kriterien aus Anforderungsund Technologieebene und liefert in kurzer Zeit belastbare Ergebnisse.

Detaillierter Vergleich aller Optionen

Die einzigartige Methodik berücksichtigt alle Varianten von Verbrennungsmotor, Getriebe, E-Maschine, Leistungselektronik, Batterie, Betriebsstrategie, Fahrzeug und Topologie. „Mit der IAV-Antriebsstrangsynthese können optimale Systemlösungen und Flottenszenarien bezüglich Zyklusemissionen, Fahrleistungen, Herstellkosten und Technologien systematisch erarbeitet und gleichsam objektiv für konventionelle, hybride und rein elektrische Antriebsstränge bewertet werden“, erklärt Dr. Christoph Danzer, Entwicklungsingenieur im Bereich Technical Systems, Powertrain Concepts von IAV. „Die darauf basierenden Variationsstudien gehen dabei bis ins Detail und zeigen unter anderem auf, wie sehr die Anforderungen zum Beispiel in Hinblick auf Aspekte wie Verbrauchseffizienz, Fahrleistungseigenschaften und Systemkosten erfüllt sind. So lassen sich unterschiedliche Topologievarianten objektiv vergleichen, wobei durch die ganzheitliche Variation von Parametern und Kennfeldern der Komponenten zusätzlich wichtige Sensitivitäten abgeleitet werden können.“

Die Resonanz unserer Kunden auf die 2016 vorgestellte Antriebsstrangsynthese ist sehr gut. „Wir haben viel zu tun – weil die Methode ein Alleinstellungsmerkmal von IAV ist“, so Danzer. Als Beispiel für das Vorgehen und die Leistungsfähigkeit der Methodik hat er eine Beispielflotte untersucht, die aus drei Varianten eines Kompaktklasse-Fahrzeugs besteht: einem Budget-, einem Main- und einem Sportderivat. Schon an diesem überschaubaren Beispiel zeigt sich, wie komplex es ist, aus einer gewaltigen Zahl von Möglichkeiten den optimalen Technologiemix für eine Flotte zu bestimmen.

24 Millionen unterschiedliche Lösungen

Zu Beginn hat Danzer die Eigenschaften der virtuellen Flotte charakterisiert und ihre gewünschten Verbrauchswerte, prognostizierten Verkaufszahlen, erforderlichen Fahrleistungen und viele weitere Informationen in die IAV-Antriebsstrangsynthese eingegeben. Als Ergebnis liefert die Variantengenerierung 24 Millionen unterschiedlicher Antriebsstränge, die danach auf dem IAV-Rechencluster im Detail untersucht werden. „Wir haben für jede mögliche Lösung den Verbrauch im WLTP simuliert und zudem auch Konstantverbräuche bei höheren Geschwindigkeiten berechnet“, berichtet Danzer. „Fahrleistungssimulationen lieferten Informationen über Beschleunigung, Maximalgeschwindigkeit oder Steigfähigkeit – jeweils für die verschiedenen Modi ,rein elektrisches Fahren‘, ,hybrider Betrieb‘ und ,Fahren nur mit dem Verbrennungsmotor‘.“ Hinzu kamen Aussagen über technische Größen wie die Verlustenergien im Antriebsstrang oder die Zahl der Schaltvorgänge und Starts des Verbrennungsmotors. Auch die Kosten für alle Antriebskomponenten wie Verbrennungsmotor, Getriebe, Leistungselektronik, E-Maschine und Batterie lieferte die Antriebsstrangsynthese. Als Zwischenergebnis standen Danzer danach jeweils über 80 Werte für die 24 Millionen Lösungsmöglichkeiten zur Verfügung.

Im nächsten Schritt folgte die vollautomatische Nutzwertanalyse: Für jede der 80 Eigenschaften erstellte die Antriebsstrangsynthese ein eigenes Ranking, in dem die Lösungen mit 100 Prozent (beste Erfüllung dieser einzelnen Anforderung) bis null Prozent (schlechteste Erfüllung) bewertet wurden. „So lässt sich schnell erkennen, welcher Antriebsstrang zum Beispiel beim Verbrauch die besten Ergebnisse liefert“, erklärt Danzer. Danach wurden die Rankings der wichtigsten Eigenschaften wie Verbräuche, Fahrleistungen und Kosten gewichtet, um die Lösungen mit der höchsten Gesamterfüllung identifizieren zu können.

Gesamtrangfolge als objektive Basis

Zum Schluss folgte die Anpassung an die spezifischen Anforderungen jedes Fahrzeugportfolios. „Als Nutzer kann ich vorgeben, wie wichtig mir Verbrauch, Fahrleistungen und Kosten relativ zueinander sind und welche Mindestwerte unbedingt erreicht werden müssen“, so Danzer. „Das lässt sich noch feiner unterteilen: Man kann zum Beispiel die Kosten weiter nach Komponenten wie Verbrennungsmotor, E-Maschine oder Getriebe aufschlüsseln.“ Aus diesen Vorgaben berechnet die IAV-Antriebsstrangsynthese schließlich die Gesamtrangfolge der technisch machbaren Lösungen, was die höchste Objektivität und gleichzeitig Entwicklungssicherheit gewährleistet.

„Interessant ist es, sich hier die besten fünf Prozent genauer anzusehen“, sagt Danzer. „Oft tauchen bei ihnen immer wieder die gleichen Technologien auf, die ein OEM darum unbedingt in seinem Portfolio haben sollte. Im konkreten Fall der Flotte aus drei Fahrzeugen gehörte dazu der Verbrennungsmotor als Dreizylinder, mal als Saugmotor, mal mit einem Turbolader und verschiedenen Hybridisierungen – in jedem Fall der beste Kompromiss aus Verbrauch, Fahrleistungen und Kosten. Für die E-Maschine und das Getriebe lieferte die Analyse ebenfalls genaue technische Daten, zum Beispiel Peak-Leistung, Verlustkennfeld der Elektromaschine und die Übersetzungsreihe des Getriebes sowie eine Abschätzung der Kosten (Tabelle 1). „Natürlich war die hier betrachtete Flotte mit ihren drei Fahrzeugen sehr klein“, fasst Danzer zusammen. „Die Methodik funktioniert bei deutlich mehr Fahrzeugen aber genauso zuverlässig. Es zeigt sich immer wieder, dass ein OEM bei seinen strategischen Entscheidungen immer die gesamte Flotte und den kompletten Antriebsstrang betrachten sollte.“

Um das Prinzip der Antriebsstrangsynthese zu veranschaulichen, hat IAV eine App entwickelt. Auf einem Tablet-PC kann man live verschiedene Antriebsstränge konfigurieren und sofort sehen, welche Auswirkungen eine bestimmte Technologieauswahl für den Verbrauch, die Kosten und andere Eigenschaften hat. Eine Veranschaulichung, die gut ankommt: „Auf Tagungen und Kongressen ist die Resonanz darauf sehr gut“, sagt Danzer. „Die App zeigt auf einen Blick, wie die Antriebsstrangsynthese aus einer Wolke von Möglichkeiten die optimale Lösung findet.“