Anwenderbericht

Entwicklung einer neuen Generation von E-Antrieben zwischen 25 und 250 kW innerhalb von fünf Jahren

Mit den NVH-Testwerkzeugen von Simcenter optimiert Emotors die Konstruktion von E-Antrieben für die Automobilindustrie

Emotors

Das im Jahr 2018 gegründete Joint Venture Emotors, mit Hauptsitz in Frankreich, ist eine Zusammenarbeit zwischen Stellantis und Nidec Leroy-Somer und beschäftigt mehr als 300 Mitarbeiter. Mit Know-how, Pioniergeist und Leidenschaft für nachhaltige Fertigung entwickeln die Mitarbeiter E-Antriebe für führende Marken der Automobilindustrie.

https://emotors.com/

Hauptsitz:
Carrières-sous-Poissy, France
Produkte:
Simcenter Testing Solutions
Industriezweig:
Automobil und Transport

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Unsere NVH-Test-Konstrukteure haben alle verfügbaren Werkzeuge am Markt verglichen, und es zeigte sich sehr schnell, dass die Siemens-Werkzeuge die besten waren.
Cédric Plasse, CTO, Emotors

Entwicklung von E-Antrieben der nächsten Generation

Die Fertigung von Elektrofahrzeugen (EV) und elektrischen Antriebssystemen (E-Drives) stellt uns vor vielfältige und komplexe Herausforderungen – von der Rohstoffbeschaffung über Reichweite, Leistung und Langlebigkeit bis hin zu Sicherheitsfragen. In vielen Fällen stellen auch die öffentliche Akzeptanz von Ladevorgängen und die Anpassung der Fahrgewohnheiten eine Herausforderung dar.

Als unabhängiger und innovativer E-Antriebshersteller mit Sitz in Frankreich stellt sich Emotors, ein 2018 gegründetes Joint Venture zwischen Stellantis und Nidec Leroy-Somer, diesen Herausforderungen.

Ein wesentlicher Teil unseres Know-hows liegt nicht nur in der erfolgreichen Entwicklung – der Konstruktion und Prototypenerstellung von E-Antrieben der nächsten Generation für unsere EV-Kunden –, sondern auch in deren Fertigung im großen Maßstab“, sagt Cédric Plasse, Chief Technology Officer (CTO) bei Emotors. Hier hilft uns die Plattformentwicklung – eine in der Automobilindustrie bewährte Strategie –, unsere Wettbewerbsfähigkeit zu stärken.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen und die gesetzten Ziele zu erreichen, wandte sich Emotors an Siemens Digital Industries Software und implementierte die Simcenter™-Software, die Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform für Software, Hardware und Services ist.

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Lösungsansätze für akustische Herausforderungen in der E-Antriebsentwicklung

Eine der größten Herausforderungen für die Konstrukteure von Emotors besteht darin, die strengen und sich ständig weiterentwickelnden Spezifikationen einzuhalten – besonders im Bereich der akustischen NVH-Performance (Geräusche, Vibrationen und Rauheit). In Zeiten zunehmender Digitalisierung von Fahrzeugen könnte man meinen, dass NVH-Tests und EV-Akustik an Bedeutung verlieren.

Allerdings gab es eine Zeit, in der nahezu jeder Fahrer mit dem Geräusch von Verbrennungsmotoren (ICEs) vertraut war. Zu dieser Zeit waren die NVH-Motortechniken bereits fortgeschritten, und Akustikkonstrukteure investierten enorm viel Zeit in die Entwicklung und Feinabstimmung charakteristischer Klangbilder für Erstausrüster-Marken.

Mit der Markteinführung der leiseren Elektrofahrzeuge zeigten sich die Verbraucher schockiert, während Akustikexperten die veränderte Geräuschkulisse – insbesondere die Fahrbahngeräusche sowie das verstärkt digitale Surren und Summen – mit Sorge betrachteten. Ein weiteres Anliegen betraf die Sicherheit von Fußgängern, da Elektrofahrzeuge beim Gehen auf der Straße schwerer wahrzunehmen waren.

Nach fast zwanzig Jahren haben Experten die akustische Gestaltung von Elektrofahrzeugen weitgehend im Griff und entwickeln vielfältige Soundkonzepte für E-Fahrzeuge und elektrische Antriebssysteme – von maßgeschneiderten Interior- und Exterior-Soundscapes über optimierte Geräuschdämmung bis hin zu Fußgängerwarnsystemen (PWS) und akustischen Fahrzeugwarnsystemen (AVAS).

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Bilanzierung von NVH

Jedes Emotors-System muss den Spezifikationen für E-Antriebssound und Fahrzeugintegration entsprechen. Bonaventure Ndong Gumedzoe, NVH-Testmanager bei Emotors, und sein Team im NVH-Prüflabor unterstützen die Umsetzung dieser Aufgabe.

Daouda Teuw, NVH-Konstrukteur bei Emotors, unterstützt die Durchführung der Tests. Dazu gehört das Einrichten der einzelnen Testläufe auf der Simcenter SCADAS™-Datenerfassungseinheit mit 72 Kanälen. Die Laboraufbauten umfassen das Aufkleben und Verkabeln von Beschleunigungssensoren, die Installation der speziellen Simcenter Qsources™-Hardware am Emotors-System, Tests in der schalltoten Kammer, die Testüberwachung sowie die Analyse von Geräuschen und Strukturresonanzen mit der Simcenter Testlab™- und Simcenter Testlab Neo-Software.

Fatma Abid, NVH-Konstrukteurin von Emotors, erläutert den Prozess im Detail. Ich arbeite an der Modellierung und Simulation von E-Antriebssystemen für minimale Geräuschentwicklung und arbeite dabei eng mit verschiedenen Fachbereichen zusammen – von elektromagnetischen Konstrukteuren über das Konstruktionsteam bis hin zum Testteam.

Ich stelle dem Testteam die initiale Simulation bereit, damit sie ihr Testnetz optimieren können. Anschließend übermitteln sie mir die Testergebnisse, sodass ich mein Modell für genauere Vorhersagen optimieren kann. In den frühen Projektphasen sind möglichst präzise Vorhersagemodelle entscheidend, da wir verschiedene Störquellen wie elektromagnetische Interferenzen und strukturelles Verhalten ausbalancieren müssen.

Mit der optimierten Simulation des NVH-Konstruktionsteams fokussiert sich Daouda Teuw auf spezifische Bereiche des Emotors-Systems und setzt klassische NVH-Methoden zur Identifizierung struktureller Resonanzen ein. Daouda Teuw gleicht diese anschließend mit spezifischen Attributen ab – beispielsweise mit magnetischen Kraftharmonischen im digitalen Zwilling – um das NVH-Verhalten zu prognostizieren.

„Für die Einhaltung der NVH-Anforderungen unserer Kunden führen wir klassische experimentelle Modalanalysen im Simcenter Testlab durch“, erklärt Bonaventure Ndong Gumedzoe. Durch die Extraktion modaler Parameter wie Frequenz, Modalform und Dämpfung ermöglichen wir dem Simulationsteam eine zuverlässige Vorhersage des NVH-Verhaltens unserer Emotors-Produkte.

Die Simcenter-Testlösung leitet uns systematisch durch alle wichtigen Aufgaben – von der Kanaleinrichtung bis zur finalen Messungsanalyse.

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Ganzheitlich denken und handeln

Wie andere Unternehmen ist sich Emotors bewusst, dass die Arbeit über das NVH-Silo hinaus essenziell ist.

„Um die Schallquellen des elektrischen Antriebs zu verstehen und einen vertretbaren Geräuschpegel zu erreichen, müssen wir eng mit den Elektroingenieuren, Steuerungsrecht-Konstrukteuren und Elektromagnetik-Spezialisten zusammenarbeiten“, erklärt Bonaventure Ndong Gumedzoe.

Durch die Eingabe präziser Daten in einen digitalen Zwilling kann das Unternehmen schon früh im Konstruktionsprozess Zielkonflikte abwägen. Mit Simcenter Testlab kann das NVH-Team anhand von Farbkarten verifizieren, dass die Frequenzen und Oberschwingungen sowohl in den Tests als auch im digitalen Zwilling übereinstimmen.

„Die größte Herausforderung für uns liegt darin, sämtliche Aspekte zur Optimierung des NVH-Verhaltens unseres Produkts umfassend zu testen“, erklärt Bonaventure Ndong Gumedzoe. Wir arbeiten Hand in Hand mit dem Simulationsteam, um optimale Lösungen zu entwickeln, die sowohl den NVH-Anforderungen als auch weiteren Aspekten wie Elektromagnetik und E-Antriebssteuerung gerecht werden. Bevor wir mit der Implementierung beginnen, führen wir es erneut durch die Testschleife, um zu überprüfen, ob es sich unter realen Versuchsbedingungen genauso bewährt wie in der Simulation.

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Als junges Team bemüht sich das NVH-Team darum, alle Aspekte zu berücksichtigen, um funktionale und effiziente Prozesse zu gewährleisten. Um dieses Ziel zu erreichen, greift Emotors auf die technische Unterstützung von Siemens zurück.

„Mit der technischen Unterstützung durch Siemens sind wir äußerst zufrieden“, erklärt Daouda Teuw. "Wir rufen sie oft an, wenn wir eine neue Messmethode implementieren müssen oder wenn wir mit neuem Equipment wie den Simcenter Qsources für unsere nächste Testkampagne arbeiten.

Die Simcenter Prüfhardware ist sehr anwenderfreundlich. Unsere Tests verlaufen sehr schnell, selbst mit allen 72 Kanälen.“

Mit der Simcenter SCADAS-Hardware erreichen wir sehr hohe Abtastfrequenzen auf allen Kanälen“, erklärt Bonaventure Ndong Gumedzoe. Die Präzision unserer Arbeit entspricht höchsten Standards. Mit Simcenter Testlab sind alle Arbeitsschritte logisch aufgebaut und leicht nachvollziehbar. Eine nahe Positionierung der Geometrie zur Kanaleinrichtung ist von Vorteil. So kann Daouda Teuw sicherstellen, dass alles einwandfrei läuft und bei Bedarf sofort eingreifen. Bei Vorbereitungen und Testläufen sparen wir erheblich Zeit.“

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Erfolgreich mit Simcenter-Produkten

Dank Cédric Plasses Erfahrung erkannte das Emotors-Team die Bedeutung von FuE- und fortgeschrittener Konstruktion in der frühen Phase der Produktentwicklung. Durch dieses Know-how und die Siemens-Lösungen entwickelte Emotors innerhalb von fünf Jahren eine Serie von E-Antrieben der nächsten Generation mit Leistungen zwischen 25 und 250 Kilowatt (kW), die bei Stellantis-Marken wie Peugeot, Opel, DS Automobile und Jeep zum Einsatz kommen. Dies wurde durch die Integration des E-Antriebs ins Elektrofahrzeug sowie die modulare Fertigung ermöglicht.

„Um in unserem Werk hohe Stückzahlen bei überschaubarer Variantenvielfalt zu erreichen, setzen wir auf zwei Plattformen für kleinere und größere Motoren“, erklärt Cédric Plasse. Diese beiden Plattformen decken im gleichen Produktionsprozess einen Leistungsbereich von 25 bis 250 Kilowatt ab. Wir entwickeln Standardprodukte, die flexibel auf Kundenbedürfnisse zugeschnitten werden können. Dank unseres kontinuierlichen Entwicklungsprozesses und unserer Plattformfertigung können wir sehr schnell auf den Markt gehen.

Nach der Verwendung von Simcenter-Testlösungen für die Modalanalyse stellte das Team fest, dass Siemens Tools für psychoakustische Untersuchungen anbietet, um die Wahrnehmung des E-Fahrzeug-Fahrers und der Passagiere während der Fahrt zu analysieren.

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„Der Mensch ist nicht objektiv wie eine Harmonische-Messung im reflexionsarmen Raum“, erklärt Cédric Plasse. „Die Siemens-Lösung erwies sich als einziges Tool, das uns ermöglichte, die subjektiven Empfindungen des Fahrers mit den Messwerten aus der Kammer in Einklang zu bringen. Als Konstrukteure können wir nur das verbessern, was wir auch messen.

In der digitalen Konstruktion entwickeln wir vieles, aber nicht alles lässt sich ausschließlich mit digitalen Modellen umsetzen. Für eine schnelle Markteinführung und hohe Genauigkeit müssen wir unsere Modelle anhand von Testmessdaten kalibrieren. Nach eingehender Analyse aller Marktwerkzeuge durch unsere NVH-Test-Konstrukteure wurde schnell deutlich, dass die Siemens-Lösungen führend sind.

Bei der Akustik messen wir mit unseren Siemens-Tools die Geräuschentwicklung und kalibrieren anschließend unser Modell. Auf diese Weise finden wir für unsere Kunden die optimale Balance zwischen Geräuschentwicklung, Leistung und Kosten.“

Ein weiterer Vorteil liegt in der Abstimmung zwischen rationalen und irrationalen menschlichen Faktoren.

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„Da unsere Prüfstandsergebnisse vielversprechend sind, testen wir nun im Fahrzeug selbst, wo sich die Bedingungen deutlich unterscheiden“, erklärt Bonaventure Ndong Gumedzoe. Bei Siemens haben wir bereits einige nützliche Tools kennengelernt, darunter Simcenter SCADAS XS und das binaurale Simcenter SCADAS 3D Headset. Mit einem Tablet lässt sich das kompakte Gerät einfach ins Fahrzeug mitnehmen und die Tests unkompliziert durchführen.“

Das Team sucht kontinuierlich nach neuen Möglichkeiten, seine Expertise im NVH-Engineering auszubauen, und implementiert dabei innovative Werkzeuge in bestehende Prozesse.

„Im Gespräch mit meinem NVH-Team höre ich immer wieder, dass der Siemens-Support äußerst professionell arbeitet und die Kommunikation hervorragend läuft“, so Cédric Plasse. „Wir setzen die Siemens-Tools über alle Domänen hinweg ein. Das ist positiv, da wir den Vorteil nutzen können, dass mehr Mitarbeiter sowohl auf der Simulations- als auch auf der Testseite im Dialog stehen. Dies ist ein wichtiger Faktor zur Verbesserung der Kommunikation. Wir werden auf dem Erfolg von Siemens und Emotors aufbauen,
wenn wir künftig weitere Motoren auf den Markt bringen.“

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Die Siemens-Lösung war das einzige Tool, mit dem wir die Empfindungen des Fahrers erfolgreich mit den Messungen in der Messkammer abgleichen konnten.
Cédric Plasse, CTO, Emotors