Synthese und Konzeptionierung elektrifizierter Antriebssysteme

Weltweit sinkende gesetzliche CO2- und Emissionsobergrenzen haben zur Folge, dass die Optimierung konventioneller Antriebstechnologien nur noch begrenzt zur Reduktion der Flottenemissionen beitragen kann. Die Fahrzeughersteller reagieren darauf mit einer zunehmenden Elektrifizierung ihrer Antriebsportfolios, wobei der Elektrifizierungsgrad einzelner Fahrzeugantriebe stetig steigt. Mit der Erhöhung der elektrischen Leistung ergibt sich ein umfangreiches Lösungsfeld möglicher Technologien – von 48 V Mild-Hybriden bis hin zu rein elektrischen Konzepten. Zudem nimmt auch die Komplexität der Antriebsstränge proportional zum Elektrifizierungsgrad zu. Darüber hinaus ändern sich die marktspezifischen Mobilitätsansprüche und -gewohnheiten der Kunden. In der Folge wird das Lösungsfeld möglicher Antriebstechnologien multidimensional und zunehmend diffizil. Durch die Digitalisierung von Prozessen und Entwicklungsabläufen in Form von virtuellen Methoden und Werkzeugen soll die Komplexität besser beherrschbar werden.

Die beschriebene Entwicklung bildet die Grundlage für das Kooperationsprojekt „Zukunftskonzepte Powertrain“ der AUDI AG und dem Institut für Fahrzeugtechnik der Technischen Universität Braunschweig. Ziel ist es, eine virtuelle Entwicklungskette zu erarbeiten, die es dem Systemingenieur erlaubt, zukünftige, elektrifizierte Antriebsstränge für Premiumfahrzeuge zu konzeptionieren. Die virtuelle Entwicklungskette wird inkrementell aufgebaut und umfasst verschiedene Rechnerwerkzeuge, welche die Teilschritte zur Identifikation, Auslegung, Bewertung und Optimierung von elektrifizierten Antriebssträngen abbilden. Die Rechnerwerkzeuge reduzieren den sich wiederholenden Aufwand zur Konzeptfindung und unterstützen den Produktentstehungsprozess bereits in einer frühen Phase. Dieser methodische Ansatz trägt langfristig dazu bei, die Entwicklungszeit und -kosten zu reduzieren und gleichzeitig die Kunden- und Produktanforderungen zu erfüllen.

In der vorliegenden Arbeit werden zunächst Grundlagen zu Antriebssystemen, insbesondere zu Hybridantrieben und deren Eigenschaften, erläutert. Zudem wird der Stand der Technik anhand einer Systematik am Markt erhältlicher Hybridfahrzeuge dargelegt sowie ein Überblick an Methoden zum Konzipieren und Bewerten technischer Systeme gegeben. Anschließend wird die entwickelte rechnergestützte Synthese neuer Antriebssysteme beschrieben. Anhand einiger synthetisierter Beispielantriebskonzepte wird die modulare Längsdynamik-Simulation vorgestellt. Sie erlaubt es, die Wertebereiche von technischen Kriterien zu quantifizieren. Kombiniert mit Kosten- und Massemodellen werden alle relevanten Kriterien für die anschließende Bewertung abgeleitet, simuliert und für jede untersuchte Topologie mit Daten hinterlegt. Damit erfolgt eine Bewertung bekannter und neuer Antriebssysteme hinsichtlich technischer, wirtschaftlicher und psychologischer Attribute.