Nutzung mehrdimensionaler Simulation zur Reduzierung der Markteinführungszeit und der Prototypen-Loops für Elektrofahrzeuge

Ein veränderter Prozess und Ansatz

GKN Automotive ist ein weltweit führender Anbieter von eDrive-Technologien. Sein Fachwissen, sein Engagement für Innovation und seine globale Präsenz ermöglichen es dem Unternehmen, hochmoderne, nachhaltige Technologielösungen wettbewerbsfähig und in großem Maßstab anzubieten.

GKN Automotive steht an der Spitze der Massenproduktion von fortschrittlichen, effizienten Systemen für Elektrofahrzeuge. Fast 50 Prozent der Neuwagen weltweit sind mit Systemen und Lösungen von GKN Automotive ausgestattet, was bedeutet, dass täglich Hunderte Millionen Autos mit Technologie von GKN Automotive gefahren werden.

Die Elektrifizierung in der Automobilindustrie hat enorme Auswirkungen auf den Ansatz und den Prozess der Fahrzeugentwicklung gehabt. Entwicklungsteams stehen in allen Bereichen bezüglich der Leistung und Skalierung von Elektrofahrzeugen vor neuen Herausforderungen sowie vor einem immer intensiveren Wettbewerb.

EMV-Verhaltensanalyse mit unterschiedlichen Kabellängen

An der Spitze der EV-Antriebstechnologie

GKN setzt bei der Entwicklung und Optimierung seiner Traktionswechselrichter für 3-in-1-Systeme für Elektrofahrzeuge auf die Software Simcenter™ Amesim™, die Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform aus Software, Hardware und Services ist. Ein 3-in-1-System besteht aus einem Getriebe, einer elektrischen Maschine und einem Traktionswechselrichter. Im Falle von GKN beherbergt das Getriebe zusätzliche Funktionen, wie z. B. die Parksperre, Trennsysteme und den elementaren Getriebesatz. Der Wechselrichter stellt die elektrische Maschinensteuerungsfunktionalität bereit.

In den meisten Fällen betrachten die Fahrzeughersteller das 3-in-1-System als Blackbox, die als einzelne Komplettlösung geliefert wird.

Zulieferer wie GKN müssen daher in der Lage sein, Komponenten zu liefern, die den von den Kunden festgelegten Konstruktions- und Leistungsspezifikationen entsprechen.

Die Möglichkeit, das 3-in-1-System zu optimieren, geht weit darüber hinaus, die Passform des Systems im jeweiligen Gehäuse zu gewährleisten. Besondere Aufmerksamkeit erfordert in diesem Zusammenhang der Wechselrichter.

Die Aufgabe des Wechselrichters besteht darin, Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln und gleichzeitig Kommunikation und Steuerung zu gewährleisten, um ein Höchstmaß an Cybersicherheit und Schutz zu gewährleisten.

„Wir standen vor der technischen Herausforderung eines Wechsels von der mechanischen zur mechatronischen Konstruktion“, erklärt Björn Nemitz, Systemingenieur für Leistungselektronik bei GKN ePowertrain.

Diese Anforderungen machen ihn zur komplexesten und kostenintensivsten Komponente im 3-in-1-System.

Dynamisches Simulationsmodell mit einem Wechselrichtermodell

Herausforderungen bei der Produktentwicklung

Da es sich beim Wechselrichter um eine so komplexe Komponente handelt, können sich nicht optimale Randbedingungen oder schlechte Konstruktionsentscheidungen sehr negativ auf die Kosten und die Leistung auswirken. Aber auch das Gegenteil ist der Fall: Gut durchdachte und sorgfältig umgesetzte Entscheidungen zu Schnittstellen und interner Konstruktion können zu erheblichen Leistungsverbesserungen und Kosteneffizienzen führen.

Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung von Wechselrichtern liegt darauf, die maßgeblichen Geschäftsanforderungen des Kunden zu erfüllen.

Bereitstellung der benötigten Leistung

Zunächst muss der Wechselrichter die vom Kunden benötigte Antriebsleistung bereitstellen. Diese Standards sind in der Regel als Betriebsfunktionen festgelegt, die unter allen Bedingungen bereitgestellt werden können, wie z. B. bei einem voll beladenen Fahrzeug mit einem Anhänger, das bei einer Umgebungstemperatur von -40 Grad Celsius (°C) auf einem steilen Hügel mit einer fast leeren Batterie betrieben wird.

Um die Leistungsanforderungen zu erfüllen, müssen die Konstrukteure die Parameter anpassen, bis sie die optimale Lastverteilung zwischen den jeweiligen Komponenten ermitteln. Dies erfordert ein genaues Verständnis jener Faktoren, die sich einschränkend auf die Leistung auswirken und wie sie überwunden werden können.

Simulationsmodell eines gesteuerten Systems

Effizienter werden

Als nächstes geht es um den Gesamtwirkungsgrad des Wechselrichters. Effizienzsteigerungen sorgen für eine höhere Reichweite bei einer bestimmten Batteriekapazität bzw. die Möglichkeit, die Batteriegröße bei einer bestimmten Reichweite zu reduzieren. Beides kann dem Kunden sehr attraktive Kaufargumente bieten, wodurch sich das Interesse von Automobilherstellern für dieses Thema erklärt.

Kostenbewusstsein

Zudem dürfen die Kosten niemals außer Acht gelassen werden. Kosten und Wirtschaftlichkeit sind entscheidende Faktoren, um die Marktakzeptanz zu sichern und Marktanteile zu gewinnen.

Analysiertes EMV-Verhalten

Analyse der WLTP-Verluste (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure) von Leistungsmodulen mit unterschiedlichen Gatewiderständen

Erzielen optimaler Leistung

Hinzu kommen die eher technischen Überlegungen wie die elektromagnetische Verträglichkeit. Die Optimierung der abgestrahlten und von Leitern ausgehenden Emissionen bzw. die Immunität auf Komponentenebene stellt eine große Herausforderung dar, bildet aber auch einen Schwerpunkt für die zukünftige Systementwicklung bei GKN.

Weitere Ziele betreffen thermische Sicherheit, Lebensdauer und Haltbarkeit, Gehäusedesign, Gewicht, Geräusche, Schwingungen und Robustheit (NVH), Wartungsfreundlichkeit und mehr, die sich alle auf die Gesamtkonstruktion und die Leistung auswirken können.

Ziel ist es, das optimale Gleichgewicht zwischen diesen manchmal widersprüchlichen, aber immer miteinander verbundenen Zielen zu erreichen, um die beste Gesamtleistung für eine bestimmte Fahrzeugmarke oder Anwendung zu erzielen.

Analysiertes System-Setup für die Lebensdauerberechnung

Bewertung mehrerer Produktdimensionen auf einer Simulationsplattform

Mit Simcenter Amesim ist das Team von GKN in der Lage, mehrdimensionale Simulationen durchzuführen und gleichzeitig das Verhalten mehrerer Komponenten auf thermischer, elektrischer und mechanischer Ebene zu analysieren.

Das Team verwendet Simcenter Amesim für das Entwerfen und Dimensionieren der einzelnen elektrischen Komponenten, für die Analyse der gegenseitigen Beeinflussung der Komponenten und für die Bereitstellung der optimalen Produktlösung für die Anforderungen der Kunden.

Das Team simuliert und analysiert verschiedene Aspekte, von Halbleitern bis hin zum kompletten 3-in-1-System. Beispiele hierfür sind statische oder dynamische Lastzyklen, spezifische Szenarien der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), Sicherheit, relevante Lastszenarien, Steuerbarkeit, Fehleranalyse sowie komplexe Lebenszyklen.

Die genaue Darstellung des realen Systems und das gleichzeitige Erstellen von Modellen, die in der Lage sind, lange Fahrzyklen zu simulieren, stellt eine große Herausforderung dar. Dank der Modellierungsgeschwindigkeit von Simcenter Amesim und der Möglichkeit der Versuchsplanung und Modellreduktion lassen sich diese komplexen Anforderungen jedoch erfüllen. Die Modelle berücksichtigen elektrische und thermische Gegebenheiten, liefern aber auch schnelle Simulationszeiten.

Diese Simulationsmöglichkeiten haben es dem GKN-Team ermöglicht, die Abhängigkeit von Tests zu minimieren und die Anzahl der im Entwicklungsprogramm erforderlichen Hardware-in-Loop-Tests (HiL) und Prototypen-Loops drastisch zu reduzieren.

„Simcenter Amesim hat mir geholfen, meine technische Expertise hinsichtlich der einzelnen Komponenten und des Systems als Ganzem zu erweitern“, berichtet Nemitz. „Ich habe jetzt ein viel besseres Verständnis für das physikalische Verhalten der Komponenten und wie sie sich gegenseitig beeinflussen.“

Simcenter Amesim bietet die Komplexität der Analyse und die Detailtiefe, auf die das Team angewiesen ist, wodurch das Risiko für Überdimensionierung minimiert und Entwicklungszeit und -kosten reduziert werden können.

„GKN hat standardisierte Modelle und Prozesse entwickelt, die im Produktentwicklungszyklus zum Einsatz kommen“, erläutert Nemitz. „Auf diese Weise können wir die Simulationen von Anfang an für jedes Projekt nutzen und haben eine validierte Grundlage für unsere Konstruktion und Entwicklung.“

GKN Automotive Antriebsumrichter

Das Erfolgsrezept: Gleich zu Beginn der Produktentwicklung die richtigen Werkzeuge nutzen

Simcenter Amesim ermöglicht eine intuitive, mehrstufige Konstruktion für alle Anwendungen mit vielen integrierten, vorgefertigten Lösungen.

Mit Simcenter Amesim kann das Team von GKN gleich zu Beginn des Entwicklungsprozesses jedes Element innerhalb des Systems und das System als Ganzes virtuell bewerten und optimieren. Das bedeutet, dass sie weniger kostspielige Prototypen-Loops benötigen und eine schnellere Markteinführung erzielen können.

Ein Blick in die Zukunft

Der Wechsel vom Verbrennungsmotor zu Elektrofahrzeugen markiert den Beginn einer neuen Ära für Automobilhersteller und beinhaltet die dringende Notwendigkeit, innovative Lösungen für die technischen Herausforderungen zu finden, die mit dem Wechsel von der mechanischen zur mechatronischen Konstruktion verbunden sind.

Die Nutzung von Simulationen zur Entwicklung eines umfassenden digitalen Zwillings wird bei GKN eine zentrale Rolle spielen, um die Leistung von Produkten in der realen Welt zu analysieren und vorherzusagen, damit das Unternehmen schnell Produkte mit besserer Leistung und zu geringeren Kosten entwickeln kann.

Von Geräuschen und Schwingungen bis hin zur Wechselrichtertechnologie und darüber hinaus beginnen die Möglichkeiten der Simulation und des umfassenden digitalen Zwillings alle Bereiche der Entwicklung der neuen Generation von Elektrofahrzeugen zu prägen.

Reduziertes Wechselrichter-Simulationsmodell mit Batterie, DC-Link-Kondensator und Leistungsmodulen