Renault optimiert die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen mit Simcenter Amesim

Die Komplexität der Entwicklung von Hybridfahrzeugen

CO2-Emissionen zu reduzieren ist eine kontinuierliche Herausforderung. Entscheidend dafür ist, dass sich alle Länder an das gleiche, in den Regulierungen für 2026 vorgesehene, Niveau anpassen. Die Elektrifizierung von Fahrzeugen ist zentral, um die zukünftigen Standards an CO2-Emissionen zu erfüllen. Die Entwicklung von Hybridfahrzeugen ist nicht mehr nur wünschenswert, sondern für jeden Fahrzeughersteller zwingend.

Hybride Antriebsstränge sind viel komplexer als jene, die in herkömmlichen Fahrzeugen oder Elektrofahrzeugen mit einer einzigen Energiequelle verbaut sind. Das liegt in erster Linie an der Vielzahl der möglichen Kombinationen von Architekturen. Beispielsweise können bei einem parallelen Hybridantrieb mehrere Antriebsquellen kombiniert oder unabhängig voneinander verwendet werden. Bei seriellen Hybridfahrzeugen erfolgt der Antrieb nur durch den Elektromotor, aber die elektrische Energie stammt von einer anderen Onboard-Quelle, wie zum Beispiel einem Verbrennungsmotor.

Aufgrund der disziplinenübergreifenden Beschaffenheit hybrider Antriebsstränge müssen Ingenieure die erforderliche Energie von allen Energiequellen ins Gleichgewicht bringen, die Auswirkungen anderer Systeme (wie Getriebe und Kühlsysteme) auf die Energieleistung des Fahrzeugs untersuchen und die optimalen Möglichkeiten validieren. Diese Aufgaben beinhalten die Untersuchung einer Reihe von Kombinationen und erfordern detaillierte Steuerungsstrategien von Seiten der Ingenieure.

Daher besteht die Notwendigkeit, die verschiedenen Architekturen hybrider Antriebsstränge schnell zu evaluieren und die effektivsten auszuwählen, die Eigenschaften der Komponenten zu vergleichen und ihre Leistung unter verschiedenen Fahrmustern zu bewerten. Die Konstruktion hybrider Antriebsstränge erfordert die Verwaltung mehrerer Physikbereiche und die Zusammenarbeit von verschiedenen Experten – Systemarchitekten, Projektmanagern und Anwendungsspezialisten – während der einzelnen Phasen des Entwicklungszyklus. Um innovativ zu sein, müssen diese Experten auf die Komplexität reagieren und mit Risiken umgehen. Das Verwalten der Produktkomplexität, mit anderen Worten der Komplexität der Prozesse, mit denen diese Produkte erstellt werden, und der Komplexität der Interaktionen zwischen allen Personen, die an der Entwicklung und Bereitstellung dieser Produkte beteiligt sind, wirft die folgende Frage auf: Wie können Sie diese Komplexität wieder vereinfachen und hochwertige Produkte mit überschaubaren Kosten bereitstellen?

Entscheidungen bezüglich der Technologie in den frühen Konstruktionsphasen treffen

Als viertgrößter Automobilhersteller weltweit wird Renault-Nissan von Innovationen und Alleinstellung motiviert. Eines der aktuellen Alleinstellungsmerkmale ist die Fähigkeit, umweltfreundliche Fahrzeuge zu überschaubaren Kosten anzubieten. Die Renault-Nissan Alliance Group verfolgt das Ziel, die Umweltfolgen ihrer Aktivitäten und Produkte während der gesamten Lebensdauer, von der Entwicklung bis zum Recycling, zu senken. Sie hat bei Elektrofahrzeugen weltweit bereits einen Marktanteil von über 70 Prozent, mit vollständig elektrifizierten Fahrzeugen wie dem Renault Zoe und dem Nissan Leaf, und ist bestrebt, die Fahrzeugpalette durch die Entwicklung fortschrittlicher Hybridarchitekturen zu erweitern.

Der Eolab ist ein erster Schritt. Der Eolab ist ein neuer kompakter und bezahlbarer Plug-in-Hybrid mit sehr niedrigem Kraftstoffverbrauch und emissionsfreier Mobilität bei Fahrten unter 60 Kilometern und Geschwindigkeiten von bis zu 120 Stundenkilometern. Diese Hybridtechnologie mit „Zero Emissions“ (null Emissionen) wird das Angebot von Elektrofahrzeugen von Renault in den nächsten Jahren abrunden.

Für die Entwicklung dieser Technologie implementiert die Renault-Nissan Alliance spezielle Werkzeuge und Methoden. Das Unternehmen hat eine Abteilung für Tests und digitale Entwicklung eingerichtet, um die entsprechenden CAE-Methoden (Computer-Aided Engineering) und numerischen Modelle bereitzustellen und Innovationen in zukünftigen Projekten voranzutreiben. Mit zwölf Mitarbeitern konzentriert sich ein Team aus dieser Abteilung darauf, den Ingenieuren für mechatronische Systeme die Arbeit zu erleichtern. Die Anforderungen der Ingenieure waren eindeutig: Sie benötigten eine Plattform für die Zusammenarbeit, um das energetische Zusammenspiel aller hybrider Konfigurationen zu bewerten und die Entscheidungsfindung in der Vorentwicklungsphase mit Validierungsschleifen zu fördern.

Die Ingenieure müssen die Ziele für den Kraftstoffverbrauch schnell bestätigen, die Projekte planen und die verschiedenen Subsysteme dimensionieren. Sie benötigen eine benutzerfreundliche Multiphysik-Simulationsumgebung, die es ihnen ermöglicht, die Optimierung der gewählten Hybridarchitektur zu vereinfachen. Die Plattform wird von Experten für die Anpassung und von Nicht-Experten für schnelle Tests der Parameterkombinationen verwendet werden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, hat Renault eine Simulationsplattform mit dem Namen GREEN (Global and Rational Energy EfficieNcy) entwickelt. Unterstützung erhielt das Unternehmen von den Werkzeugen und den Mitarbeitern des PLM-Spezialisten (Product Lifecycle Management) Siemens Digital Industries Software.

Eine virtuelle Konstruktionsplattform für die Zusammenarbeit

Entwickelt von der Abteilung für Tests und digitale Entwicklung, ist die Plattform GREEN eine anwendungsspezifische grafische Benutzeroberfläche (GUI, graphical user interface), die mit der Software Simcenter Amesim, der MATLAB®- und der Simulink®-Umgebung sowie mit dem Repository der Tabellensoftware Excel® verknüpft ist. Die Plattform ermöglicht es Ingenieuren, Modelle schnell zu parametrisieren, Simulationen durchzuführen und Ergebnisse nachzubearbeiten. Sie beinhaltet einen vorgefertigten, umfassenden Konfigurator für Hybridfahrzeuge, mit denen Anwender zwischen mehreren Hybrid-Architekturen wählen können. Zudem hat die Abteilung eine Architektur eines allgemeinen Anlagenmodells entwickelt, das aus „parametrisierbaren“ Untersystemen besteht, die individuell aktiviert oder deaktiviert werden können.

Dieses physische Anlagenmodell wurde mit Simcenter Amesim von Siemens Digital Industries Software erstellt. Energiemanagement und Steuerungsstrategien werden von Simulink unterstützt. Anwender können unter anderem Hybridfahrzeuge mit manuellem, automatischem, robotisiertem und Doppelkupplungsgetriebe erstellen und den Elektromotor auf der Vorder- oder der Hinterachse und vor oder hinter der Kupplung unterbringen. Nachdem die Architektur konfiguriert worden ist, kann die Größe der Subsysteme festgelegt werden. Beispielsweise eine Elektromaschine mit 30 kW oder 50 kW, ein Dieselmotor mit 1,6 oder 2,0 Litern usw. Jede Kombination ist möglich.

Die Ingenieure können dann die Strategie für die Energiesteuerung festlegen und optimieren, indem sie angeben, wann der Verbrennungsmotor starten soll, bei welchem Drehmoment und wann bzw. wie der Umstieg von der elektrischen Maschine auf die thermische erfolgen soll. Angesichts der Auswahl bei der Architekturdefinition und der Subsysteme optimiert die Nachbearbeitungsfunktion der Plattform GREEN die Strategien des Energiemanagements automatisch entsprechend der ausgewählten mechatronischen Architektur und der Komponentenparameter.

Mit diesen Funktionen können die Ingenieure eine Architektur auswählen, Parameter und verschiedene Szenarien mit einem integrierten und benutzerfreundlichen Workflow verwalten und visualisieren, ohne eine Strategie für das Energiemanagement erstellen zu müssen. Erfahrene Anwender können neue Energiemanagement- und Steuerungsstrategien leicht testen, wenn dies für spezifische Untersuchungen erforderlich ist.

Die Flexibilität und die Leistungsfähigkeit der Plattform GREEN ermöglicht es Ingenieuren, innerhalb weniger Stunden eine Architektur festzulegen und zu validieren und ihre Subsysteme und die Steuerungsregeln des Energiemanagements auszuwählen. Die Plattform bringt verschiedene Wissensdomänen und Anwendungsingenieure zusammen, die am selben Projekt beteiligt sind, indem Kommunikation und Entscheidungsfindungen in einer gemeinsamen Sprache ermöglicht werden. „Die Plattform GREEN, basierend auf Simcenter Amesim, soll dazu dienen, unterschiedliche Erfahrungsgebiete und Systemingenieure zusammenzubringen. Zudem ermöglicht sie Teams, die noch nie zusammengearbeitet haben, sich über ihre Konstruktionsprobleme auszutauschen, um gemeinsame Lösungen zu finden“, so Eric Chauvelier, Methoden- und Simulationsmanager für Hybrid- und Elektrosysteme in der Abteilung für Tests und digitale Entwicklung. Zu den von der Plattform ausgegebenen Ergebnissen zählen Kraftstoff- und Energieverbrauch, Leistung, Betriebspunkte des Antriebsstrangs und der Energiefluss entlang des Antriebssystems. Zudem lassen sich Empfindlichkeitsstudien an physikalischen Eigenschaften oder Steuerungsparametern auf einfache Weise mit dem Tool verwalten.

Die Stärke von Simcenter Amesim

Die neue GUI der GREEN-Lösung wurde basierend auf Simcenter Amesim entwickelt. „Die Simulationsplattform des mechatronischen Systems von Siemens Digital Industries Software bietet standardmäßige, aber anpassbare, validierte Komponenten. Mit ihnen können vollständige Fahrzeugarchitekturen von Subsystemen bis zur Systemintegration erstellt werden“, ergänzt Chauvelier. „Simcenter Amesim bildet ein flexibles und gleichzeitig robustes Rückgrat. Der mehrstufige Ansatz bietet Komponenten, die zu jeder Konstruktionsphase passen: von kartenbasierten Modellen für eine frühe Architekturdefinition bis zu detaillierteren Modellen für ein erweitertes Engineering, um Subsysteme und Komponenten zu optimieren. Dank ihrer Beschaffenheit ermöglicht die Software nicht nur die Modellierung unterschiedlicher Komponenten des Antriebssystems wie Elektromotor, Verbrennungsmotor und Antriebssystem, sondern auch, Fahrzeugeigenschaften wie Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Leistung und Fahrbarkeit in Einklang zu bringen.“

Renault hat sich bei der Entwicklung der Plattform GREEN vollständig auf Siemens Digital Industries Software verlassen. Sowohl die Bereitschaft also auch die Fachkompetenz des Teams haben sich für den Autohersteller als wertvoll erwiesen und haben ihm beim Lösen kritischer Sachverhalte während der Entwicklung der Plattform geholfen. Die Ingenieure von Simcenter haben umfassende Kenntnisse der Konstruktionsherausforderungen ihres Kunden und sind zudem Spezialisten für numerische Simulationstechniken.

Simcenter Amesim wurde auch aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit ausgewählt und ermöglicht die Weiterentwicklung der Plattform GREEN, um neue Anforderungen an die Fahrzeugentwicklung zu bewältigen. Die Offenheit von Simcenter Amesim ermöglicht die optimierte Entwicklung von Modellen, die Interaktion mit den integrierten Steuerungen und die Interaktion mit anderen Plattformen oder Modellen.

Es hat sich gezeigt, dass Simcenter Amesim eine sehr flexible Plattform ist, die Co-Simulation mit MATLAB und Simulink für eine bessere Lesbarkeit der Bedienelemente und Interaktivität mit dem integrierten Code ermöglicht. Die Fähigkeit, mit der Open Source-Programmiersprache Python und der höheren Programmiersprache MATLAB in Simcenter Amesim Skripts zu erstellen, ermöglicht es Ingenieuren, den Workflow einer Untersuchung des energetischen Zusammenspiels zu steuern (einschließlich Daten, Berechnung, Simulationen, Anwendungsfelder, Analyse und Synthese). So können komplexe Modelle problemlos ausgeführt werden.

Die Flexibilität von Simcenter Amesim ermöglicht die Weiterentwicklung der Plattform GREEN, um die Analyse auf herkömmliche Antriebsstränge auszuweiten und Trade-Off-Analysen zwischen dem Kraftstoffverbrauch und der Leistung mit anderen wesentlichen Attributen wie thermischem Komfort, Energiemanagement, Fahrbarkeit, Abgassysteme und mehr durchzuführen.