Ein Universum voller Möglichkeiten

IAV-Antriebsstrangsynthese: Entwicklungsmethodik zur systematischen Variation und Bewertung aller Lösungsvarianten von komplexen Antriebssystemen

Mit der einzigartigen IAV-Antriebsstrangsynthese können OEMs strategische Grundsatzentscheidungen über ihre künftigen Fahrzeugflotten auf einer objektiven Basis treffen. Die Methode betrachtet alle Antriebsstrangkomponenten gesamthaft und ermittelt somit das globale Optimum hinsichtlich Effizienz, Kosten und Fahrleistungen bis hin zur Erstellung kompletter Baukastenlösungen aus Millionen von möglichen Technologievarianten. Erste Projekte und die positive Resonanz unter Experten belegen das große Potenzial der neuen Methodik.

Schon heute denken Hersteller und Zulieferer darüber nach, mit welchen Antriebssträngen sie 2025 und 2030 auf den Markt kommen wollen. Dabei bewegen sie sich in einem Spannungsfeld von CO2-Emissionen, Baukastenlösungen und Herstellkosten, wobei dem Antriebsstrang eine zentrale Rolle zufällt. Hier stehen die Unternehmen einer kaum noch zu beherrschenden Vielfalt an Möglichkeiten gegenüber: Diesel- und Ottomotoren, E-Maschinen, Getriebe, Leistungselektronik und Batteriesysteme sind nur einige Komponenten, deren Auslegungsfreiheitsgrade zu berücksichtigen sind.

Ganzheitlich, systematisch, teilautomatisiert

„Die Zielanforderungen und die Komplexität der technischen Effekte sind dabei so hoch, dass herkömmliche Entwicklungsmethoden nicht mehr genügen“, sagt Christoph Danzer, Entwicklungsingenieur in der Abteilung für Antriebskonzepte von IAV. „Es reicht heute nicht mehr aus, die Antriebsstrangkomponenten einzeln zu optimieren – stattdessen brauchen wir einen integrierten Entwicklungsansatz.“ Genau das leistet die IAV-Antriebsstrangsynthese: als systematischer, teilautomatisierter und agiler Prozess, der alle relevanten Facetten und Varianten auf Anforderungs- und Technologieebene berücksichtigt und in kurzer Zeit belastbare Ergebnisse liefert.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Optimierungsansätzen schließt die Antriebsstrangsynthese tatsächlich alle denkbaren Szenarien und Antriebskonfigurationen von Verbrennungsmotoren, Getrieben, E-Maschinen, Leistungselektronik, Batterien, Betriebsstrategien, Fahrzeugen und Topologien in die systematische Betrachtung ein. Damit lässt sich beispielsweise ermitteln, welche Hybridtopologie mit welcher Technologiekombination unter vorgegebenen Randbedingungen den höchsten Nutzwert in puncto Energieeffizienz, Fahrleistungen und Systemkosten darstellt. Die Analysen gehen bis ins Detail und zeigen unter anderem auf, welche Sensitivität zwischen Auslegungsparametern und Ergebnisgrößen im globalen Zusammenhang tatsächlich bestehen. So lassen sich unterschiedliche Topologievarianten für hybride und elektrische Antriebsstränge quantitativ genau vergleichen.

Grundlage für strategische Entwicklungsentscheidungen

Am Ende des iterativen Prozesses finden wir mithilfe der Antriebsstrangsynthese das globale Systemoptimum unter den gegebenen Randbedingungen. Je nach Projekt können wir damit die Eigenschaften mehrerer Millionen von Varianten – etwa mit Blick auf Leistungsflüsse, Wirkungsgrade, Verlustenergien, Batterieladezustände sowie Betriebspunkte von Verbrennungsmotor und Elektroantrieben – analysieren. Durch Grenzwertfilterungen über allen Varianten und die automatische Bewertung durch eine Nutzwertanalyse mit Gewichtungsfaktoren entsteht eine Rangfolge der gefundenen Lösungen. Basierend auf den so ermittelten Bewertungskennzahlen können abschließend Sensitivitäts- und Häufigkeitsanalysen wichtiger Eigenschaften (zum Beispiel Zyklusverbrauch im WTLP) analysiert werden. „Am Ende steht die objektive Bewertung der Antriebskonzepte sowie eine klare Empfehlung an unsere Kunden“, so Danzer.

Ist beispielsweise das optimale Elektrifizierungsszenario gesucht, kann die Antriebsstrangsynthese verschiedene Technologiepakete objektiv gegenüberstellen – vom einfachen 48-Volt-Zusatzantrieb bis hin zu verschiedenen Varianten mit Hochvolt-Hybridisierung. IAV-Kunden können sich dann anhand objektiver Kriterien – darunter Zyklusverbrauch und Herstellkosten der jeweiligen Lösung – für eine Alternative entscheiden.

Speziell für hybride Antriebsstränge hat IAV einen „Antriebsstrang-Konfigurator“ entwickelt, der auf einem Tablet-PC läuft und seinen Nutzern ein Gefühl für die Auswirkungen verschiedener Technologie-Entscheidungen geben soll. „Mit einer intuitiven Bedienoberfläche können unsere Kunden Parameter wie die Zylinderzahl, die Aufladetechnologie, Drehmoment, Leistung und Effizienz der E-Maschine oder die Zahl und Spreizung der Gänge vorgeben“, erklärt Danzer. „Sie sehen dann sofort, was ihre Wahl zum Beispiel für den Verbrauch, die Fahrleistungen und die Herstellkosten bedeutet.“ In einer Datenwolke mit Millionen möglicher Varianten erkennen die Nutzer die Lage ihrer speziellen Lösung und können auch sehen, wie weit sie von alternativen Konfigurationen entfernt ist.

Optimale Baukastensysteme

Die IAV-Antriebsstrangsynthese unterstützt OEMs auch dabei, Baukastensysteme für ihre künftigen Antriebsstränge zu entwickeln. Durch eine begrenzte Zahl von skalierbaren Technologie- und Konstruktionsvarianten für Verbrennungsmotoren, Getriebe und E-Komponenten sollen die Kosten künftiger Modelle verringert werden. „Das ist ökonomisch zwar sinnvoll, führt oft aber zu suboptimalen Antriebssträngen“, warnt Danzer. „Gesucht ist also ein Kompromiss aus technischer Vielfalt zur Realisierung günstiger Systemeigenschaften und dem gesteigerten Einsatz von Gleichteilen.“ Dafür ist die „Baukastenvariation“ der Antriebsstrangsynthese das perfekte Werkzeug: Sie findet diejenigen Punkte in der riesigen Datenwolke, welche die geringsten Verbräuche und Herstellkosten der Fahrzeugflotte mit einer eingeschränkten Komponentenvielfalt bestmöglich vereinen.

Bei IAV-Kunden kommt die Antriebsstrangsynthese bestens an, wie unter anderem der erfolgreiche Auftritt auf dem Wiener Motorensymposium am 28. und 29. April bewiesen hat. „Seit die neue Methode verfügbar ist, haben wir mit vielen Entwicklern und Führungskräften gesprochen – von Motorradherstellern und Pkw-OEMs bis zu Nutzfahrzeug-Produzenten“, so Danzer. „Die Antriebsstrangsynthese ist bereits in mehreren Kundenprojekten im Einsatz, um die unterschiedlichsten komplexen Fragestellungen zu konventionellen, hybriden und rein elektrischen Antriebssträngen zu beantworten.“

Als ein Ergebnis der Antriebsstrangsynthese beschreiben Auslegungsparameter und Soll- Kennfelder die detaillierten Anforderungen an die Antriebskomponenten. An diese Schnittstelle können die IAV-Entwickler direkt anknüpfen – mit ihren Tools für die Motor-, E-Maschinen- und Getriebesynthese, die das detaillierte Technologiepaket sowie Struktur und Auslegung dieser Komponenten liefern. So ermöglicht die IAV-Motorsynthese die Bestimmung aller wichtigen Parameter wie Zylinderzahl, Hubraum, Aufladekonzept, Ventiltriebsvariabilität und Brennverfahren. Die E-Maschinensynthese von IAV leitet aus dem gewünschten Verlustleistungskennfeld unter anderem die Funktionsart, den Blechschnitt und das erforderliche Kühlkonzept für die Maschine ab. Mit der IAV-Getriebesynthese können gänzlich neue Getriebestrukturen auf Basis der optimalen Übersetzungsreihen generiert werden, welche zusätzlich hinsichtlich Wirkungsgraden, Schaltmöglichkeiten, Bauraum und Variabilität optimiert werden können. Diese drei Entwicklungswerkzeuge werden in den kommenden Ausgaben der automotion genauer vorgestellt.