Schlüsseltechnologie für die nächste E-Fahrzeug-Generation: Antriebsstränge simulieren und prüfen

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.

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.