Co-Simulationen machen genauere Vorhersagen und binden auch reale Prüfstände mit ein Simulationen vernetzen - AutomobilKONSTRUKTION

Co-Simulationen machen genauere Vorhersagen und binden auch reale Prüfstände mit ein

Simulationen vernetzen

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Dank immer stärkerer Rechnerkapazitäten werden heute auch sogenannte Co-Simulationen möglich. Virtuelle Modelle eines Bauteils werden mit realen Fahrzeugkomponenten auf Prüfständen zusammen in Echtzeit getestet. Im österreichischen Graz entwickelt das Forschungszentrum Virtual Vehicle die Plattform Icos (Independent Co-Simulation). Forschungspartner AVL List übernimmt nun die weltweite Industrialisierung.
Tobias Meyer ist freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion
Im Automobilmarkt werden die Kombinationen von Motor- und Getriebevarianten immer vielfältiger, dazu kommen Sonderausstattungen und spezielle Karosserievariationen, etwa im Sportpaket. Für jede mögliche Kombination vollwertige Prototypen zu testen wäre ein immenser Aufwand. Im Wettbewerb um die innovativsten Fahrzeuge bieten Simulationsmodelle daher eine nicht mehr wegzudenkende Hilfe. Teils kann in der Konstruktionsphase schon gänzlich auf den Einsatz teurer Prototypen verzichtet werden. Denn der erste Prototyp steht meist erst nach 60% der Entwicklungszeit zur Verfügung. Bei fünf Jahren Entwicklungszeit hätte man die ersten drei Jahre so keinerlei Erfahrung, wie das Zusammenspiel der neuen Komponenten überhaupt funktioniert.
Genau hier setzen Co-Simulationstechniken an: Sie führen einzelne Simulationsmodelle zusammen. Steht dann endlich auch der Prototyp einer Komponente (z.B. des Generators, der Wasserpumpe oder der ECU) zur Verfügung, wird das einzelne virtuelle Modell aus der Gesamtsimulation entfernt und durch den Prototypen auf dem Prüfstand ersetzt. Diese Daten kommen dann vom realen Bauteil, werden aber in das gleiche System eingespeist und mit den anderen, noch simulierten Werten in Beziehung gesetzt. Das Modell wird so Schritt für Schritt immer realer.
Das Virtual Vehicle, Österreichs größtes K2-Forschungszentrum, beschäftigt sich seit Jahren mit virtuellen Modellen und neuen Methoden der Fahrzeugentwicklung. AVL List und Virtual Vehicle unterzeichneten nun eine Forschungs- und Entwicklungspartnerschaft: Das Virtual Vehicle wird Icos (Independent Co-Simulation) in enger Zusammenarbeit mit AVL und anderen Industriepartnern weiter entwickeln, AVL übernimmt zudem die Industrialisierung und den weltweiten Vertrieb im Rahmen seiner Integrated Open Development Platform (IODP).
Dabei wollte man OEMs bewusst nicht darauf drängen, ihre Simulationssoftware zu wechseln. Vielmehr war der Ansatz, dass der Kunde bei seinem bewährten Tools bleiben kann, diese aber besser vernetzt werden. Zudem können OEMs so auch Modelle von Zulieferern, die vielleicht wieder andere Software einsetzen, in die Gesamtsimulation ihrer Fahrzeuge integrieren.
Am Anfang der Entwicklung stand eben dieses Problem, dass OEMs häufig unterschiedliche Software für verschiedene Simulationsfragen nutzten: Eine für Motorsimulation, eine weitere für das Thermomanagement und weitere für Mechanik oder Elektrik. Untereinander waren deren Schnittstellen häufig aber nicht kompatibel. Daher kam man auf die Idee, eine Open-Source-Anwendung zu programmieren, die den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen ermöglicht. So kam man dem Gesamtmodell, das ein Auto in einer einzigen Simulation komplett virtuell abbildet, einen Schritt näher.
Die erste Hürde war die Daten auf einen Nenner zu bringen. Da es hierfür keinen Standard gab, definierte man sich quasi eine Zentralsprache, in die alle Datenströme übersetzt werden. Inzwischen ist daraus der FMI-Standard (Function mockup interface) geworden, den heute viele Simulationstools direkt exportieren und importieren können. „Daher braucht man sich darüber heute keine Gedanken mehr machen, wichtiger ist inzwischen die Zeitsynchronisierung der Daten“, so Wolfgang Puntigam von AVL List. Denn verschiedene Modelle liefern zu unterschiedlichen Zeitpunkten Daten, bedingt durch die Ablaufgeschwindigkeit der Simulation: Je komplexer das System, desto träger wird die virtuelle Abbildung. Eine einfachere Komponente ist dann mit einem zu simulierenden Zyklus schon fertig, während die andere noch rechnet. Diese Zeitversätze zwischen unterschiedlichen Modellen kompensiert die Icos-Plattform ebenfalls.
Komplexe Systeme verstehen
Laut Helmut List, CEO von AVL List, geht an der Hybridisierung und Elektrifizierung des Antriebsstrangs in der Zukunft kein Weg vorbei: „Meiner Einschätzung nach werden im Jahr 2020 bereits zwischen 15 und 20 Prozent aller Fahrzeuge mit dieser Technologie ausgestattet sein.“ Damit werden aber auch die Systeme unter der Haube immer komplexer, die Erfahrungen mit solchen Kombinationen sind noch rar. Auf Realtests will heute aber kaum noch jemand warten. Um etwa die künftigen Verbrauchs- und Emissionsvorschriften erfüllen zu können, muss bereits früh im Entwicklungsstadium erkannt werden, ob dies mit dem neu erdachten Fahrzeugkonzept überhaupt möglich ist. Auch hierbei kann die Co-Simulation sehr hilfreich sein, da auch auf explizite Fragestellungen hin simuliert werden kann.
Ein Beispiel ist die Verbesserung der Lebensdauer eines Hybridantrieb-Akkus. Dafür muss dessen Temperatur durchgehend weniger als 40 °C betragen. Diese Bedingung wird in der Simulation festgelegt. Ausgehend von der Gesamtsimulation Serienhybrid wird das Batteriemodell um das Temperaturverhalten in Abhängigkeit von Lade-/Entladestrom und –zeit erweitert. Über Detektion von Spannung, Innenwiderstand, Kapazität und Temperatur wird der Zustand der Batterie mitbetrachtet. Die Simulation zeigt: Der Lithium-Ionen-Speicher würde sich im Alleingang unter bestimmten Belastungen auf 70 °C erwärmen. Um einer beschleunigten Alterung entgegenzuwirken, wird eine Erweiterung um eine SuperCap vorgeschlagen. Und schon bleibt die Temperatur während des kompletten Real-Drive-Zykluses im gewünschten Bereich
Ganz klar ist auch der Trend zu einer immer stärker werdenden Interaktion und Kommunikation des Fahrzeuges und damit des Antriebs mit der Umgebung, also mit anderen Fahrzeugen und mit der Infrastruktur. Wenn das Navigationssystem meldet, dass demnächst eine Bergetappe ansteht, kann der Lüfter das Kühlsystem bereits im voraus konditionieren und so einen starkes Kühlen am Ende der Etappe verhindern. Das kann energieeffizienter sein, aber welche Einspareffekte ergeben sich wirklich? Auch auf solche Fragestellungen kann eine Co-Simulation künftig Antworten liefern, denn auch die Umgebungsbedingungen können datentechnisch eingebunden werden.
Icos im Einsatz
Das klare Ziel des Forschungszentrums ist es, mit wissenschaftlichen und industriellen Partnern Systeme für den Markt zu entwickeln. Icos wurde beispielsweise bereits bei BMW zur Entwicklung von Assistenzsystemen für automatisiertes Bremsen eingesetzt. Mittlerweile wird das neue Bremssystem in Serie produziert. Virtual Vehicle Geschäftsführer Jost Bernasch: „Science2Market lautet die Devise, also Forschung erfolgreich in marktreife Innovationen umzuwandeln.“
Das EU-Projekt „Configurable and Adaptable Trucks and Trailers for Optimal Transport“, kurz TRANSFORMERS, will die Transporteffizienz um bis zu 25% steigern. Lkw sind heute primär auf das maximale Ladegewicht ausgelegt. Genau hier setzt das Forschungsprojekt an: Die Lkw sollten auf Ihre aktuelle Transport-Anforderung konfigurierbar sein um deren Effizienz zu erhöhen und Emissionen zu reduzieren. Das Ziel sind modulare, hybride Antriebskonzepte einschließlich einer aerodynamisch angepassten und beladungsoptimierten Fahrzeugarchitektur. Geplant ist etwa auch eine Elektrifizierung von Anhängern, die auch mit schon existierenden Lkw beliebig kombinierbar sind. Somit können auch „alte“ Lkw mit Verbrennungsmotor durch Hybrid-on-Demand aufgerüstet werden. Die Auslegung des Gesamtsystems erfolgt mit Icos.
Die Forscher des EU-Projekts Epsilon konzentrieren sich auf die Entwicklung eines perfekt abgestimmten Antriebsstrangs für elektrische Leichtfahrzeuge. Es soll eine optimale Architektur von Komponenten wie E-Motor, Hochspannungsbatterie, Leistungselektronik, Motorsteuerung, mechanische Kraftübertragung und Thermomanagement entworfen werden. Das Ziel ist, ein möglichst ökologisches, sicheres und komfortables Elektro-Auto mit großer Reichweite zu entwickeln.
Einem weiteren Problem widmet sich das vom Virtual Vehicle geleitete Projekt „iCOMPOSE“ (Integrated Control of Multiple-Motor and Multiple-Storage Fully Electric Vehicles): In der Automobilindustrie werden einzelne Fahrzeugkomponenten und zugehörige Steuergeräte zumeist gesondert und teile-spezifisch entwickelt. Um eine optimale Energieeffizienz zu erreichen, muss jedoch in elektrischen Fahrzeugen die Integration und Interaktion aller Bausteine optimiert werden. Die Projektpartner, darunter die University of Surrey, Lotus Cars, Skoda, AVL, Infineon und Fraunhofer IVI entwickeln ein verbessertes Gesamtenergiemanagement, das erhöhte Reichweiten für Elektroautos verspricht. Dafür will man Energiemanagement, thermisches Management, Steuerung des Fahrverhaltens und der Fahrzeugdynamik intelligent in einem Überwachungssteuergerät zusammenlegen.
IAA: Halle 4.1, Stand D07
Virtual Vehicle
Tel.: +43 664 88518030
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