Systematisch zum „Powertrain 2025“

Eine beispielhafte Fahrzeugflotte zeigt, wie sich ein CO2-Emissionsziel von 75 Gramm pro Kilometer erreichen lässt

Ab 2020 gelten strengere CO2-Vorgaben. Bereits für 2025 ist eine weitere Absenkung um 15 Prozent, bis 2030 sogar um 30 Prozent in Diskussion. Das Spektrum der dann benötigten Antriebsarten wird breit bleiben, zusätzlich wollen die Hersteller weitere Fahrzeugderivate auf den Markt bringen. Und schließlich sind in den globalen Märkten ganz unterschiedliche Gesetzesanforderungen zu erfüllen. Gesucht ist darum eine Methode, mit der sich alle Randbedingungen auf technisch und ökonomisch sinnvolle Weise erfüllen lassen. Anhand einer beispielhaften Fahrzeugflotte zeigt IAV, wie OEMs systematisch den für sie maßgeschneiderten „Powertrain 2025“ entwickeln können.

Das ehrgeizige CO2-Emissionsziel von 75 Gramm pro Kilometer ist alleine mit Verbrennungsmotoren nicht zu erreichen. Andererseits ist es offen, ab wann E-Fahrzeuge eine flächendeckende Lösung für niedrige CO2- Emissionen sein können. Dafür fehlt es in absehbarer Zeit noch an der Ladeinfrastruktur und der Netzleistung in den Wohngebieten. Außerdem sind die hohen Kosten und die derzeit noch ungünstige Life-Cycle-Assessment-Bewertung (LCA) von Elektrofahrzeugen ein Problem. OEMs müssen also voraussichtlich ab 2025 Flotten anbieten, in denen neben einem geringen Anteil von batterieelektrischen Fahrzeugen vor allem Hybridfahrzeuge für die Verringerung des CO2-Ausstoßes sorgen.

Aber wie genau kann eine solche Flotte aussehen, die nicht nur die CO2-Grenzwerte einhält, sondern auch kostengünstig zu produzieren ist? Hier kommt die IAV-Antriebsstrangsynthese ins Spiel: Die Methode berücksichtigt unter vorgegebenen Randbedingungen, zum Beispiel „maximale Zahl von Übernahmeteilen“, welche Parameterkombinationen für Verbrennungsmotor, Getriebe, E-Maschine, Leistungselektronik, Batterie, Betriebsstrategie, Fahrzeug und Topologie zielführend sind. Damit kann für jeden OEM eine maßgeschneiderte Empfehlung für konkrete Flottenszenarien berechnet werden. Am Beispiel einer für Europa realistischen Fahrzeugflotte hat IAV diesen Prozess durchgeführt, um eine optimierte Antriebsstrang-Plattform für einen Flottenwert von 75 g/km zu finden. Ausgangspunkt ist eine Flotte mit Fahrzeugen vom Kleinwagen bis hin zum Sportwagen. Die zwischen 926 und 2.100 Kilogramm schweren Fahrzeuge sind für die kleineren Modelle mit Frontantrieb und die beiden Spitzensegmente mit Allradantrieb berücksichtigt. Mögliche Antriebsstrangtopologien sind ein konventioneller Triebstrang sowie ein P0- und ein P2- Hybrid. Weitere Vorgaben betreffen unter anderem die fahrzeugindividuellen Eigenschaften für Beschleunigungszeiten und Spitzengeschwindigkeiten.

Vergleich von 40 Millionen Konfigurationen

Ausgehend von diesem Input wurden mithilfe der IAV-Antriebsstrangsynthese rund 40 Millionen unterschiedliche Konfigurationen berechnet und miteinander verglichen – darunter unter anderem Verbrennungsmotoren mit verschiedener Zylinderzahl, Hubraum und Technologie, Getriebe mit Gangzahlen zwischen drei und zehn sowie E-Maschinen mit einer Leistung zwischen 15 und 200 Kilowatt. Für jede Variante hat die IAV-Antriebsstrangsynthese den Verbrauch in unterschiedlichen Fahrzyklen, die Fahrleistungen und die Kosten ermittelt. Die technischen Details der drei Komponenten Verbrennungsmotor, E-Maschine und Getriebe sind das Ergebnis anschließender Auslegungs- und Optimierungsrechnungen mit weiteren IAV-Werkzeugen für die Motor-, Getriebe- und E-Maschinen- Vorentwicklung.

Das Ergebnis: Um eine CO2-optimierte Flotte zu erhalten, sollte der fiktive OEM für alle Segmente einen Grundmotor mit drei Zylindern und 1,1 Litern Hubraum einsetzen – für die kleineren Modelle als Saugmotor mit 72 Kilowatt Leistung, für die größeren Fahrzeuge als aufgeladene Version mit 120 Kilowatt Leistung. Er zeichnet sich durch eine deutliche Langhubigkeit von 1,28 im Hub- Bohrungs-Verhältnis und elektrisch angetriebene Nebenaggregate aus. „Der Grundmotor ist funktions- und kostenoptimiert und bietet eine sehr gute Modularisierbarkeit“, erklärt Dr. Mirko Leesch, Abteilungsleiter Simulation und Validierung Verbrennungsmotor bei IAV. „Er kann zum Beispiel um einen Turbolader, eine Ausgleichswelle und eine Ventilhubumschaltung ergänzt werden.“ Für Letzteres hat IAV die patentierte Lösung SlideCam entwickelt, die mit wenigen zusätzlichen Bauteilen auskommt und bei kleinen Lasten zu geringeren Ladungswechselverlusten führt. Eine weitere Option ist ein Modul für alle sekundären Luftsysteme, das einzelne Systeme zusammenfasst und dadurch mit weniger Bauteilen auskommt – was zu geringeren Kosten und einem kleineren Bauraum führt.

Kompakte Getriebe mit wenigen Gängen

Auch das Getriebe lässt sich einfach und kompakt gestalten. Für die gesamte Flotte reichen vier Gänge (A- bis D-Segment) bzw. sechs Gänge (Oberklasse- und Sportwagensegment) völlig aus. „Das genügt, um die Arbeitspunkte von Verbrennungsmotor und E-Maschine im Bereich guter Wirkungsgrade im jeweiligen Kennfeld zu optimieren“, so Dr. Ralf Tröger, Abteilungsleiter Antriebsstrangkonfiguration bei IAV. Das DHT-Planetengetriebe (Dedicated Hybrid Transmission) ist für ein Drehmoment von maximal 750 Newtonmeter bei einer Gesamtlänge von weniger als 380 mm inklusive 90 Kilowatt Elektromotor ausgelegt. „Es enthält zwei Planetenradsätze und vier Schaltelemente“, sagt Leesch. „Diese Variante erwies sich unter mehr als 475.000 synthetisierter Getriebe als die beste und zeichnet sich durch optimale Effizienz sowie einen geringen Bauraum aus.“

Die ausgewählte E-Maschine erwies sich unter mehr als 250.000 potenziellen Konfigurationen als die optimale Lösung. Die skalierbare, permanenterregte Synchronmaschine kann in Kombination mit dem viergängigen DHT je nach Ausführung bis zu 90 Kilowatt Leistung und Drehmomente bis zu 300 Newtonmeter erreichen. Durch ihre hohe Integration in das Getriebe benötigt sie wenig Bauraum, sodass der hybridisierte Antriebsstrang auch in kleine Fahrzeuge passt. Obwohl es möglich ist, für die Beispielflotte 75 Gramm pro Kilometer zu erreichen, zeigt die Optimierung als guten Kompromiss zwischen niedrigen Zusatzkosten, Performance und Emissionen 81 Gramm pro Kilometer. „Wenn der OEM in jeder Klasse zehn Prozent seiner Modelle als batterieelektrische Fahrzeuge oder als Plug-in-Hybride verkauft, kann er das Ziel von 75 Gramm pro Kilometer erreichen“, sagt Tröger. „Das ist ein konservativer Ansatz und darum durchaus realistisch.“

Von der Empfehlung bis zur Umsetzung

Ähnlich wie in diesem fiktiven Beispiel können IAV-Kunden individuelle Empfehlungen für die Zusammensetzung ihrer Flotten im Jahr 2025 und darüber hinaus erhalten – also für den optimalen Anteil an Hybriden, batterieelektrischen Fahrzeugen und Plug-in-Hybriden sowie deren jeweilige technische Konfiguration. Dabei ist der Ausgangspunkt immer die IAV-Antriebsstrangsynthese für die Simulation und die Optimierung der Antriebsvarianten in der gesamten Flotte. Die gezielte Auslegung und Konzeptionierung der einzelnen Komponenten erfolgt danach durch weitere IAV-Spezialtools. Aber das ist nicht das einzige Alleinstellungsmerkmal von IAV: Kunden erhalten nicht nur eine Empfehlung – auf Wunsch setzt IAV die Ergebnisse auch selbst in serienreife Aggregate und Antriebsstränge um.