Automobiltechnikunternehmen nutzt Simcenter STAR-CCM+, um eine Reichweite von 250 Meilen für einen EV-Kompakt-SUV zu erzielen

Reichweitenangst ist weit verbreitet

„Reichweitenangst“ ist die Angst vor einer leeren Batterie bei kilometerweiter Entfernung bis zur nächsten Ladestation für Elektrofahrzeuge. Obwohl es sich um einen neuen Begriff handelt, ist das Konzept nicht neu.

Reichweitenangst gab es seit den Anfängen des Automobils in den frühen 1900er Jahren, als es noch kein Tankstellennetz gab und die Menschen mit Benzinkanistern an ihren Autos herumfuhren. Heute fährt die durchschnittliche Person nur etwa 65 Kilometer pro Tag, doch eine kürzlich durchgeführte Forbes-Studie ergab, dass zwei Drittel der potenziellen Nutzer von Elektrofahrzeugen angesichts von Autobahnfahrten eine Reichweite von mindestens 480 Kilometern pro Ladung wünschen.

Wenn Elektrofahrzeuge sich auf breiter Linie durchsetzen, wird das Erreichen einer größeren Reichweite ein entscheidender Faktor für die Verbraucher sein. Eine aktuelle Tesla-Studie stellt fest, dass eine Verbesserung der aerodynamischen Leistung um 10 Prozent zu einer Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen um 5 bis 8 Prozent führt. Die aerodynamische Leistung wird beim Fahren auf der Autobahn noch wichtiger. Bei Geschwindigkeiten über 130 km/h werden rund 80 Prozent der Leistung genutzt, um aerodynamische Verluste zu kompensieren. Eine bessere Aerodynamik sorgt eindeutig für eine größere Reichweite.

Ein elektrischer Antriebsstrang und die geringe Anzahl beweglicher Komponenten ermöglichen bei Elektrofahrzeugen bereits einen flachen Unterboden und eine geschlossene Vorderseite ohne Grill, was aerodynamische Vorteile bietet. Die größten Verluste von Verbrennungsmotoren (ICE) sind auf den Motor/Antriebsstrang zurückzuführen, während der Windwiderstand der Hauptgrund für Leistungsverluste bei Elektrofahrzeugen ist, was bedeutet, dass die aerodynamische Verbesserung bei Elektrofahrzeugen doppelt so wichtig ist wie bei Verbrennungsmotoren.

Daher sind kontinuierliche aerodynamische Innovationen erforderlich, um den EV-Luftwiderstandsbeiwert (Cd) zu senken. Dies ist die treibende Kraft hinter der aerodynamischen Leistung und Effizienz. Die aerodynamischsten Autos, die derzeit auf dem Markt sind – darunter Tesla Model S, Mercedes CLA, BMW 5er und Audi A4 – haben alle einen cw-Wert zwischen 0,22 und 0,24, je nach Motortyp und Ausstattung.

Kann ein Elektrofahrzeug einen cw-Wert von weniger als 0,2 haben, ohne dabei an Form und Funktionalität einzubüßen? Applus IDIADA, ein weltweit führender Anbieter von Design-, Test-, Konstruktions- und Homologationsdienstleistungen für die Automobilindustrie, nutzte die Software Simcenter STAR-CCM+ ™ von Siemens, um dies zu erreichen.

„Soweit wir wissen, ist dies der erste Konzept-Elektro-SUV auf dem Markt mit einem cw-Wert unter 0,2“, sagt Enric Aramburu, Produktmanager für Fluidtechnik bei Applus IDIADA.

Durchbrechen der 0,2-cw-Schallmauer mit Simcenter STAR-CCM+

Applus IDIADA hat auf dem Genfer Automobilsalon (GIMS) 2018 das Projekt CRONUZ vorgestellt, ein kompaktes SUV-Konzeptfahrzeug (Sport Utility Vehicle) mit einem cw-Wert von 0,19.

Die Konstruktion war das Ergebnis einer nahtlosen Zusammenarbeit zwischen den Konstrukteuren und Aerodynamikern von Applus IDIADA. Die Konstrukteure schufen eine attraktive Ausgangsoberfläche, die auf die Sensibilität der EV-Konstruktion abgestimmt ist, einen ästhetisch ansprechenden Stil, ein minimalistisches aerodynamisches Design und eine optimierte SUV-Karosserie.

Anschließend nutzten die Aerodynamiker einen virtuellen Windkanal, der mit Simcenter STAR-CCM+ erstellt wurde, um die aerodynamische Leistung des Fahrzeugs mithilfe numerischer Simulationen zu analysieren. Simcenter STAR-CCM+ ist ein führendes CFD-Tool (Computational Fluid Dynamics) und Teil des Simcenter-Portfolios™.

„Simcenter STAR-CCM+ ist einfach zu bedienen“, sagt Aramburu, der seit 15 Jahren bei Applus IDIADA arbeitet und die Software schon immer verwendet hat. „Es ist robust und eignet sich gut für die Automatisierung. Aus diesem Grund sind wir seit der Veröffentlichung der allerersten Version von Simcenter STAR-CCM+ vor 12 Jahren aktive Nutzer.“

Applus IDIADA simulierte über einen Zeitraum von sechs Monaten mehr als 600 Konstruktionsvorschläge und integrierte nach und nach Konzepte zur Reduzierung des Luftwiderstands in jede Konstruktion. Dies ermöglichte ein stromlinienförmiges und optimiertes Außendesign unter Beibehaltung der grundlegenden Konstruktionskonzepte. Mit Simcenter STAR-CCM+-Simulationen lieferte das endgültige optimierte Design einen Luftwiderstandsbeiwert von 0,17 in freier Luft, ohne Windkanalmodellierung unter stationären Bedingungen. Die abschließende Bewertung der Windkanaltests ergab einen cw-Wert von 0,19 , bestätigte damit den Ansatz der innovativen Simulation und sicherte CRONUZ Platz des aerodynamischsten Konzept-EV-Kompakt-SUV.

Zum Vergleich: Basierend auf Simulationen hatte das erste CONUZ-Modell einen cw-Wert von 0,27, was dazu beitrug, die Bereiche aufzuzeigen, die verbessert werden mussten.

Aramburu fügt hinzu: „Wir wussten von Simcenter STAR-CCM+, dass wir einen Rekordwiderstandswert erreichen können, noch bevor wir einen Prototyp gebaut haben.“

Simulation läutet aerodynamische Innovationen ein

Zwei innovative Funktionen des CRONUZ sind der Schlüssel zur Verringerung des Luftwiderstands: aktive Systeme und eine optimierte Radkasten-/Unterbodenkonstruktion.

Die aerodynamische Leistung von Autos ist immer ein klassisches Gerangel zwischen Aerodynamikern und Designern, zwischen Leistung und Ästhetik. Aktive aerodynamische Systeme beziehen sich auf Teile eines Autos, die sich während des Betriebs bewegen, um den Luftstrom um das Auto herum positiv zu beeinflussen. Eingeführt, schnell verboten und nun als Drag-Reduction-Systeme (DRS) im Formel-1-Rennsport™ wieder aufgetaucht, ist die aktive Aerodynamik der nächste Durchbruch bei der Erzielung von Kraftstoffeffizienz, reduziertem Luftwiderstand und erhöhtem Abtrieb in der Automobilindustrie. Diese Systeme sorgen für eine optimale Aerodynamik in jeder Fahrsituation, sei es bei geringem Luftwiderstand im Economy-Modus oder hohem Abtrieb im Sport-Modus, während sie gleichzeitig das Design-Empfinden und die Styling-Anforderungen der Designer beibehalten.

CRONUZ verfügt über aktive Systeme für die Frontverkleidung und eine aktive Wippe, die bei niedriger Geschwindigkeit und beim Einparken versteckt werden. Bei hohen Geschwindigkeiten oder bei Bedarf werden die aktiven Systeme eingesetzt, die den Luftstrom um das Auto herum (und die Form des Fahrzeugs) so verändert, dass er von vorne nach hinten erhalten bleibt, während Turbulenzen um den Radkasten herum minimiert werden, was zu den wichtigsten Luftwiderstandsfaktoren beiträgt.

Vierzig Prozent der aerodynamischen Verluste entfallen auf den Bereich des Radkastens und des Unterbodens, was erhebliches Optimierungspotenzial bietet. Eine optimierte Felgenkonstruktion, ein niedriges Fahrwerk (ab ca. 130 km/h) und ein von unten fast vollständig geschlossenes Radhaus minimieren die Turbulenzen im Radkasten und sorgen für eine gleichmäßige Strömung von vorne nach hinten – ein wichtiger Faktor für die Reduzierung des Luftwiderstands.

Steady-State-Simulationen in Simcenter STAR-CCM+ zeigten, dass die aktiven Systeme den Luftwiderstand um den Wert 20 (ein Luftwiderstandszähler entspricht einem cw-Wert von 0,001) reduzierten. Selbst unter Berücksichtigung von Windkanalhalterungen und Instabilitäten, die in den Simulationen nicht berücksichtigt wurden, bestätigte dies die enorme Verringerung des Luftwiderstands durch aktive Systeme. Windkanaltests zeigten schließlich eine Reduzierung um 14 Punkte.

Diese Innovationen wurden durch die Iteration verschiedener Konstruktionen für die aktiven Systeme, Felgen und Unterboden- bzw. Radkastenabdeckungen in Simcenter STAR-CCM+ ermöglicht, um die leistungsstärkste Kombination zu finden. Diese Konstruktionsverbesserungen reduzierten den Luftwiderstand um 55 Punkte, bevor der einzige Prototyp gebaut wurde.

Das aerodynamischste Konzept-EV

Elektro-SUVs haben ein charakteristisches Aussehen – eine Fließheckform und eine größere Höhe im Vergleich zu Limousinen und Coupés – Eigenschaften, die den Luftwiderstand erhöhen, was es schwierig macht, die Aerodynamik zu optimieren. Mit bis zu neun Elektro-SUVs, die auf den Markt kommen sollen, könnte 2019 auch das Jahr des Elektro-SUV werden. Aerodynamische Innovationen in diesem Bereich sind von entscheidender Bedeutung, und CRONUZ bietet eine Lösung für den steigenden Bedarf an bahnbrechenden aerodynamischen Lösungen, die den Luftwiderstand in diesem Marktbereich reduzieren.

Das Auto wurde von Grund auf neu entwickelt, um in Zusammenarbeit zwischen den Teams des Unternehmens in China und Spanien innerhalb von 18 Monaten die besten aerodynamischen Werte seiner Klasse zu erreichen. Das Konzeptfahrzeug bietet Applus IDIADA auch eine Plattform, um eine Meisterklasse in rekordverdächtigem aerodynamischem Design zu liefern. Das viersitzige SUV der C-Klasse mit einem Batteriepaket von 200 Litern und einem Gewicht von 1500 Kilogramm wird von zwei Elektromotoren angetrieben und ist für eine Reichweite von 400 km ausgelegt.

Für ein Konzeptfahrzeug sieht der CRONUZ einem Serienfahrzeug sehr ähnlich. Dafür gibt es einen Grund. Applus IDIADA hat sich zum Ziel gesetzt, innovative aerodynamische Merkmale zur Reduzierung des Luftwiderstands zu liefern, die in einem serienmäßigen Elektro-SUV realisierbar wären. Ein schlankes, ansprechendes Design und die Funktionalität des Fahrzeugs waren Kernanforderungen an den CRONUZ.

Der Einsatz von Simulation zur Optimierung des Designs ist der Schlüssel zur perfekten Harmonie zwischen Design und Aerodynamik.

Mit reinen Steady-State-Simulationen, die gut mit den Ergebnissen des Windkanals übereinstimmten, identifizierten die Ingenieure schnell ein Design, das die 0,2-cw-Schallmauer durchbrechen würde.

„Ich kann mir nicht vorstellen, ein Projekt wie dieses ohne Simcenter STAR-CCM+ durchzuführen“, sagt Aramburu. „Durch Erstellen eines digitalen Zwillings konnten wir frühzeitig verschiedene Konstruktionsmöglichkeiten mit Simulation ausprobieren. Simulation ist der Schlüssel zu konstruktiven Innovationen.“

Die aerodynamischen Innovationen im CRONUZ sollen sowohl großen Erstausrüstern (OEMs) als auch EV-Startups helfen, den Luftwiderstand zu verringern und die Reichweite zu erhöhen. Solche formflexiblen Autos mit aktiven Systemen, die im letzten Jahrzehnt an Bedeutung gewonnen haben, scheinen die Zukunft der automobilen Aerodynamik zu sein.