Hersteller elektrischer Schulbusse verwendet Simcenter Amesim für die Systemsimulation, um Batteriedesign und Wärmemanagement zu optimieren

Streben nach einer nachhaltigeren Urbanisierung

Laut den Vereinten Nationen wachsen Städte schneller denn je. Bis 2030 soll es weltweit 41 Megastädte mit 10 Millionen oder mehr Einwohnern geben. Mehr Menschen bedeuten auch mehr Fahrzeuge auf den Straßen und mehr Luftverschmutzung, da der Verkehr für ein Drittel der Schadstoffemissionen verantwortlich ist. Allerdings sind der Anzahl der Fahrzeuge, die die Infrastruktur bewältigen kann, auch Grenzen gesetzt. Daher ist die Entwicklung nachhaltiger Lösungen für den Massenverkehr so wichtig.

Dies ist einer der Gründe, warum die Stadtoberhäupter der weltweit größten Städte, in denen etwa 650 Millionen Menschen leben, die C40 Cities Climate Leadership Group ins Leben gerufen haben, um den Klimawandel zu bekämpfen und städtische Maßnahmen zu fördern, mit denen sich die Emission von Treibhausgasen und Verkehrsüberlastungen reduzieren lassen. Sie haben zugesagt, bis 2025 nur noch emissionslose Busse zu bauen, in der Hoffnung, dadurch grüne und gesunde Straßen zu schaffen, in denen Fahrzeuge keine fossilen Kraftstoffe verbrennen.

Simcenter Amesim vehicle model.

Verbesserung der allgemeinen Lebensqualität

Seit der Gründung im Jahr 2011 hat sich die Lion Electric Co. zum Ziel gesetzt, nachhaltige öffentliche Verkehrsmittel bereitzustellen. Das Unternehmen mit seinem Hauptsitz in Saint-Jérôme, Quebec, Kanada, entwickelt, konstruiert und fertigt vollelektrische Schulbusse, Kleinbusse für spezielle Anforderungen und öffentliche Verkehrsmittel sowie kommunale Lkws. Bei Lion Electric Co. ist man überzeugt, dass eine Umstellung auf rein elektrische Fahrzeuge zu enormen Verbesserungen für unsere Gesellschaft, für die Umwelt und für die allgemeine Lebensqualität führen wird.

Simcenter Amesim battery model.

Meistern neuer Engineering-Herausforderungen in der Produktentwicklung

Beim Entwickeln eines Busses mit Elektroantrieb müssen hinsichtlich des Engineerings neue und herausfordernde Überlegungen angestellt werden, z. B. wenn es um das Wärmemanagement der Batterie und deren Integration in das Fahrzeug geht.

Raphael Ouellet, Produktingenieur für den Antriebsstrang im Engineering-Team von Lion Electric, erläutert, dass die Erwartungen auf zwei Ebenen festgelegt werden: „Erstens ist bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug eine Subsystemanalyse erforderlich, um genau feststellen zu können, wie sich Fahrzyklen und Ladeszenarien auf die Fähigkeit der Batterie auswirken, die entsprechenden Wärmemanagementlösungen zu entwickeln und den Kühlmittelflussausgleich in Heiz-Kühl-Kreisen zu erkennen, damit das gesamte Wärmemanagement optimiert werden kann. Zweitens erwarten wir von der frühen Entwicklung auf der Fahrzeugebene, dass wir in der Lage sind, die allgemeine Fahrzeugleistung über reale Fahrzyklen zu beurteilen, damit wir Schätzungen für eine realistische Reichweite anstellen können.“

All-electric Urban Class 8 truck.

Schnelle Entwicklung eines robusten elektrischen Antriebsstrangs

Diese Überlegungen müssen bereits zu Beginn des Produktentwicklungszyklus klar sein. So kann Lion Electric Rückrufe am Anfang der Produktion aufgrund von Konstruktionsfehlern vermeiden, die sich nicht nur auf die Sicherheit des Fahrzeugs auswirken könnten, sondern auch zusätzliche Kosten und längere Markteinführungszeiten mit sich bringen würden. Um anschließend die Batterie zu entwickeln und ihre Performance nach der Integration in das gesamte Fahrzeug frühzeitig im Entwicklungszyklus beurteilen zu können, entschied sich das Engineering-Team von Lion Electric für die Simcenter™ Amesim™-Systemsimulationssoftware von Siemens Digital Industries Software, die Teil des Simcenter-Portfolios ist.

Lion Electric begann mit der Modellierung des Batteriedesigns und des Wärmemanagements ganz von vorn. Anfänglich wurde Lion Electric von Maya HTT unterstützt, einem Unternehmen für Engineering-Services, das Support und Know-how für die Modellierung der Batterie bereitstellte und Lion Electric durch den Iterationsprozess begleitete, bis eine optimierte Architektur gefunden wurde. Sie begannen mit der Konstruktion der Zellen und aller Wärmeaustauschvorgänge der Zellen – zunächst nur im Aluminiumgehäuse und später in der gesamten Batterieumgebung.

„Da wir dank Simcenter Amesim den Wärmeaustausch innerhalb der Batterie und der Gebläsekühlung nachvollziehen konnten, waren wir in der Lage, die beste Architektur für alle Batteriekomponenten zu definieren“, erläutert Ouellet. „Unter der Anleitung von Maya HTT fanden wir schließlich die richtige Architektur.“

Ruhespannung und Innenwiderstandslinien der Batterie wurden mit nur wenigen Klicks anhand des Herstellerdatenblatts mithilfe der App zum Importieren der Datenblätter der drei Batterien bestimmt.

Sobald die Batterie konstruiert werden sollte, testete Lion Electric die Leistung ihres physischen Zwillings in einem klimatisierten Raum, und passte lediglich das digitale Modell anhand der Ergebnisse an. Durch diese Testphase wurde die Genauigkeit des Modells hinsichtlich der elektrischen Leistung und Wärmereflexion verbessert.

„Dank Simcenter Amesim konnten wir von Anfang an die richtigen Entscheidungen treffen und die Markteinführungszeit optimieren“, meint Ouellet. „Wir können auch Simulationen für Kunden ausführen und diesen Details zur erwarteten Reichweite oder zur erwarteten Leistung in einem speziellen Anwendungsfall bereitstellen.“

Battery cycle profile in Simcenter Amesim.

Eine benutzerfreundliche Software zur Vereinfachung der effizienten Berichterstellung

Die Zufriedenheit von Lion Electric mit Simcenter Amesim wird noch durch die Benutzerfreundlichkeit und die komfortablen Funktionen zum Erstellen von Berichten unterstrichen. In der Tat, so Ouellet, „hilft uns Simcenter Amesim beim schnellen Erstellen von Diagrammen und Berichten, sodass wir Präsentationen in kürzester Zeit vorlegen können. Zudem sind die Ergebnisse detaillierter, da wir wesentlich mehr Variablen berücksichtigen können als bei Tabellenkalkulationen. Wiederholungen lassen sich problemlos durchführen. Dies bedeutet, dass ich diese schnell implementieren kann, wenn es vom Management gewünscht wird.

„Simcenter Amesim hat zahlreiche Vorteile: Die intuitive Schnittstelle, leistungsstarke und optimierte Algorithmen, das benutzerfreundliche Daten-Management (Visualisierung, Postprozessing, globale Parameter usw.) sowie implementierte Tools (Optimierung, 3D-Visualisierung usw.) sorgen dafür, dass wir dem Topmanagement und den Kunden in kürzester Zeit leicht verständliche Ergebnisse vorlegen können.”

Electric mini school bus.

Spürbar niedrigere Produktionskosten

„Uns steht genau dieselbe Zeitspanne zum Entwickeln unseres Modells zur Verfügung. Und da wir die Tabellenkalkulationssoftware durch Simcenter Amesim ersetzt haben, können wir nun unsere Beurteilung der Batterieleistung verbessern und bei unseren Analysen mehr ins Detail gehen“, so Ouellet. „Jetzt nutzen wir diese Zeitspanne zum Entwickeln, Optimieren und Bauen der am besten geeigneten Batteriearchitektur und des zugehörigen Wärmemanagements. Dadurch steht uns zu Produktionsbeginn ein zuverlässigeres und ausgereifteres Produkt zur Verfügung.

„Im Großen und Ganzen glauben wir daran, dass dieser Ansatz zu niedrigeren Produktentwicklungskosten führen wird. In der Tat kann es sehr kostspielig sein, ein Produkt nach Produktionsbeginn zu modifizieren. Rückrufe, die auf Konstruktionsfehler zurückzuführen sind und die Fahrzeugsicherheit betreffen, sind der Albtraum jedes Herstellers und wir alle arbeiten intensiv daran, dies zu vermeiden.“

Durch die Zeit- und Kostenersparnis dank der Simulation kann Lion Electric nun mit der Suche nach aufkommenden Technologien beginnen. Ouellet erläutert: „Sobald wir mit der Fahrzeugproduktion beginnen, suchen wir bereits nach Möglichkeiten, die Systeme für die zukünftigen Generationen zu verbessern. Effizienz ist etwas, das stets optimiert werden kann. Zudem kontrollieren wir alle Aspekte unserer Konstruktionen und stellen so wesentlich bessere Produkte her als Unternehmen, die Chassis und Fahrzeuge anderer Unternehmen elektrifizieren.“