Antriebsstränge für die nächste Elektro­fahrzeug-Generation

Schematische Darstellung der Simulation und Prüfung elektrischer Antriebsstränge. (Bild: Fh.-LBF)

Schematische Darstellung der Simulation und Prüfung elektrischer Antriebsstränge. (Bild: Fh.-LBF)

Auch wenn man es den meisten derzeit auf dem Markt befindlichen Modellen nicht ansieht: Elektro­fahr­zeuge unterscheiden sich deutlich von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Nicht nur die Art der An­triebs­maschine ist anders, sie haben typischerweise auch kompaktere Getriebe, und ihr Antriebs­strang zeigt generell veränderte Trägheits- und Steifigkeitsverhältnisse. Folglich ändert sich auch ihr Schwing­ver­hal­ten. Da der Markt für Elektrofahrzeuge noch sehr jung ist, verfügt man in der Entwicklung bislang über wenige Erfahrungen zu diesem Thema. Entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung dieser Systeme sind passende Simulationsmodelle und Prototypentests. Im Rahmen des BMBF-geförderten For­schungs­pro­jek­tes „e-Generation“ entwickelte das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Sys­tem­zu­ver­lässig­keit LBF Methoden und Werkzeuge für die Simulation und die experimentelle Prüfung von elek­trischen Antriebssträngen, um das Schwingverhalten und die resultierenden Betriebslasten zu unter­suchen.

Hauptziel des Projektes „e-Generation“ war, die Reichweite von E-Fahrzeugen durch niedrigeren Ener­gie­ver­brauch zu erhöhen, die Fertigungskosten zu senken und eine hohe Produktqualität für die All­tags­taug­lich­keit zu realisieren. Das Fraunhofer-LBF hat dabei im Wesentlichen unterschiedlich detaillierte dyna­mische Simulationsmodelle in Form von 1D- beziehungsweise 3D-Mehrkörpersimulationsmodellen für ein ausgewähltes Antriebsstrangkonzept aufgebaut und validiert sowie die entsprechenden Simulationen mit dem Blick auf Betriebsfestigkeit und Sys­tem­zuverlässigkeit vorgenommen.

In der ersten Phase des Projekts lag der Fokus des Fraunhofer-LBF auf einfachen Konzeptmodellen, die den Hauptfreiheitsgrad der Rotation des Antriebsstrangs berücksichtigten. Diese dynamischen 1D Modelle stellen die Torsionskette vom Motor zu den Rädern und die Fahrzeugdynamik in Längsrichtung dar. Dabei wurden die für die Schwingungen im niedrigen Frequenzbereich wesentlichen Elemente, wie die Reifen und die Seitenwelle, als flexible Komponenten simuliert.

Mehrkörpersimulationsmodell eines elektrischen Antriebsstrangs. (Bild: Fh. LBF)

Mehrkörpersimulationsmodell eines elektrischen Antriebsstrangs. (Bild: Fh.-LBF)

Parallel zur Entwicklung der Antriebsstränge erhöhten die LBF-Wissenschaftler die Komplexität und den Detaillierungsgrad der Modellierung, um zusätzliche Effekte mit aufzunehmen. Mit den letztlich ent­wickel­ten Mehrkörpersimulationsmodellen konnten neben dem Drehfreiheitsgrad auch Anregungen anderer Freiheitsgrade betrachtet werden. Damit wurde es möglich, das Modell auch mit den Beschleu­ni­gungen aus der Fahrdynamik (zusätzlich zu den Antriebmomenten) anzuregen, die Schwingungen des kompletten Systems gegen die Karosserie zu betrachten und die Lasten an den Antriebs­strang­lagern zu ermitteln. Sys­tem­schwingungen und Lasten ließen sich auf diese Weise mit höherer Genauigkeit ermitteln.

Mit den Antriebsstrangprototypen führten die LBF-Wissenschaftler eine experimentelle Charakterisierung am Prüfstand durch. Dafür wurden die Prototypen mit einem auf realen Manövern basierenden Prüf­proto­koll getestet und verschiedene mechanische und elektrische Messsignale aufgenommen. Um das reale Verhalten des Fahrzeugs zu berücksichtigen, bauten die Wissenschaftler eine Hardware-in-the-Loop Test­umgebung auf, in der reale dynamische Reaktionen am Rad eingeleitet wurden. Dazu leiteten sie ge­messene Radgeschwindigkeitsprofile direkt (open-Loop) ein oder sie simulierten die Fahrzeug­longitudinal­dynamik (inkl. Räder und Reifen) in Echtzeit.

Durch die unter anderem im Projekt „e-Generation“ gesammelten Erfahrungen kann das Fraunhofer-LBF Hersteller in allen Phasen des Entwicklungsprozesses, von konzeptionellen und reduzierten 1D Torsions-Modellen des Antriebsstrangs bis zu vollständigen 3D-Mehrkörpermodellen, begleiten. Darüber hinaus können auch die Prüfungs- und Verifizierungsphasen entweder mit Open-Loop-oder Hardware-in-the-Loop-Tests unter realen Bedingungen getestet werden. (Quelle: Fh.-LBF)

Links: Projekt eGeneration: Simulation und Prüfung elektrischer Antriebsstränge (R. Bartolozzi), Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

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