Forschungsvorhaben

Trotz der verhältnismäßig langen Entwicklungszeit zur Konzeption, Auslegung und Konstruktion erfüllen die Antriebsstränge aktueller Elektrofahrzeuge bei weitem noch nicht alle Entwicklungsziele. Zwar sind für die einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs (wie Leistungselektronik, E-Maschinen, Getriebe) leistungsfähige Methoden und Werkzeuge zur Entwicklung verfügbar, zur Abstimmung und Optimierung des gesamten Antriebssystems sind jedoch derzeit weder entsprechende öffentlich bekannte Methoden noch Werkzeuge vorhanden.

Antriebsstrang Speed4E,
Quelle: FZG, TU München

Speziell die Einflüsse und gegenseitigen Beeinflussungen von Fertigungstoleranzen, NVH-Verhalten, Thermomanagement und Fahrbarkeit im Zusammenspiel mit Wirkungsgrad/Tribologie und Betriebsstrategie sind sehr komplex. Die gegenseitige Beeinflussung der zahlreichen Optimierungskriterien sind oft schwer zu modellieren und sind teils widersprüchlich. Je nach Gewichtungsfunktion und Anwendungsprofil können somit sehr viele verschiedene Antriebe für eine Zielerreichung entstehen.

In diesem Kontext stellt sich das Forschungsprojekt Opt4E das Ziel, Methoden und Werkzeuge zur vollumfänglichen Synthese und Optimierung von EV-Antriebssträngen zu entwickeln und zu validieren. Aus typischen Ziel-Kriterien und Bewertungen eines elektrischen Antriebs (wie Kosten, Dynamik, Effizienz, Verbrauch und Komfort) werden Key-Performance-Indicators (KPIs) abgeleitet.

Der Nutzer des Optimierungsprogramms soll anhand seines vorgegebenen Nutzungsprofils und von individuellen weiteren Gewichtungen definieren, wie stark die einzelnen KPIs in eine Gesamtbewertung eines Individuums und somit in die Optimierungsschleife eingehen. Mit Hilfe dieser Entwicklungsplattform lassen sich bereits in der frühen Phase aussichtsreiche Antriebsstrangtopologien erstellen, bewerten und vergleichen.

Mögliche Zielkonflikte zwischen Global- und Detailauslegung werden durch einen integrierten Prozess erkannt und effektiv gelöst. Durch die über die Entwicklungsplattform zur Verfügung stehenden Methoden für EV-Antriebssysteme werden Entwicklungszyklen beschleunigt, Entwicklungskosten eingespart und Potenziale gesamtheitlich betrachtet und bestmöglich erschlossen.

Der frühzeitige Einbezug von Abhängigkeiten zwischen den Subsystemen im späteren Betriebsverhalten insbesondere auf den Gebieten der Effizienz, dem Thermomanagement und den Toleranzeinflüssen führt weiterhin zur optimalen Ausnutzung von Ressourcen im Produktionsprozess, was eine indirekte CO2-Ersparnis zur Folge hat. Eine Steigerung der Effizienz des Gesamtsystems führt dagegen direkt zu erheblichen CO2-Einsparungen im Betrieb der Systeme und leistet damit einen Beitrag zur Etablierung nachhaltiger Antriebsarchitekturen.

Das Forschungsvorhaben gliedert sich in sechs Arbeitspakete, deren Teilziele das Gesamtziel des Projektes maßgeblich unterstützen.

Nähere Informationen zu den einzelnen Arbeitspaketen und deren Teilziele findest du nachfolgend:

Arbeitspaket 1
Fertigungsqualität Getriebe

AP-Leitung: FZG, TU München

Motivation / Herausforderung:

Zur Erreichung einer hohen Leistungsdichte benötigt jeder Antriebsstrang eines EVs ein Getriebe mit Zahnrädern. Die Kontaktverhältnisse im Zahneingriff sind entscheidend für Eigenschaften des Getriebes in Bezug auf die Tragfähigkeit, das NVH-Verhalten sowie den Wirkungsgrad. In Antriebssträngen für EV wird das NVH-Verhalten als primäres Optimierungsziel verfolgt und durchaus höher priorisiert als die Leistungsdichte. Zur NVH-optimierten Auslegung von Zahnrädern stehen im Stand der Technik unterschiedliche leistungsfähige Methoden zur Verfügung. Bei der Optimierung des NVH-Verhaltens werden in der Regel abweichungsfreie Verzahnungen zugrunde gelegt. Geometrische Abweichungen durch die Fertigung haben jedoch einen erheblichen Einfluss auf das NVH-Verhalten, deshalb ist die Festlegung geeigneter Toleranzbänder wesentlich für das spätere Einsatzverhalten.

Bei Zahnrädern beeinflussen zahlreiche Nennmaße die Nenneigenschaften und das Nenn-NVH-Verhalten. Maß-Abweichungen können in praktisch beliebigen Kombinationen auftreten und als Grundlage zur Definition geeigneter Verteilungsfunktionen genutzt werden. Dabei müssen nicht die größten Abweichungsbeträge den größten Impact auf die Auslegungskriterien haben. Entscheidend ist eine gemeinsame Betrachtung der Wahrscheinlichkeiten ungünstiger Kombinationen aus Toleranzen und dem sich ergebenden NVH-Verhalten. Kombinationen aus hoher Schwingungsanregung und hoher Auftretenswahrscheinlichkeit der Abweichung sind dabei am kritischsten einzuschätzen. Damit stehen wirtschaftlich weite Toleranzen engen Toleranzen zur Wahrung der Nenn-Eigenschaften gegenüber. Dieser Widerspruch kann nur durch eine Zielfunktion gelöst werden, die sowohl technische als auch wirtschaftliche Auswirkung der Toleranzfeldbreite quantitativ berücksichtigen kann.

Ziele:

Übergeordnetes Ziel des Arbeitsfeldes ist daher die Untersuchung der wirtschaftlichen und technischen Auswirkungen von Einzelabweichungen und kombinierten Abweichungen und die Festlegung von geeigneten Toleranzbereichen.

Arbeitspaket 2
Akustik

AP-Leitung: IAL, Uni Hannover

Motivation / Herausforderung:

NVH-Verhalten Verzahnung:

Zum Thema Getriebegeräusche lässt sich sagen, dass die Verzahnungen im Getriebe in der Regel die Hauptquelle für Geräusche darstellen. Andere Geräuschquellen, wie etwa Lagergeräusche, spielen eine eher untergeordnete Rolle. Die Geräuschentwicklung entsteht durch verschiedene Mechanismen, die beim Durchwälzen der Verzahnung zu einer Schwingungsanregung im Zahnkontakt führen. Dieser Zahneingriff stellt somit eine Quelle innerer Anregung dar. Die Schwingungen, die im Zahnkontakt erzeugt werden, breiten sich als Körperschall über die Radkörper, Wellen und Lager in die Gehäusestruktur aus. An den freien Oberflächen wird dieser Körperschall als Luftschall abgestrahlt und kann letztlich vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden.  Folgende Abbildung zeigt die schematisch die Schwingungsübertragung ausgehend vom Verzahnungseingriff über die Wellen und Lager an das Gehäuse

Es gibt grundsätzlich zwei Ansätze, um Getriebegeräusche zu reduzieren: Zum einen kann der Übertragungsweg des Schalls und das Abstrahlverhalten optimiert werden, zum anderen besteht die Möglichkeit, die Anregung im Zahnkontakt selbst zu verringern. Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Optimierung der Anregung im Zahnkontakt, während der Übertragungspfad und seine Optimierung nicht Teil des Forschungsvorhabens sind.

NVH-Verhalten E-Maschine / Leistungselektronik:

Bei Elektrofahrzeugen (EV) ergeben sich durch die fehlende Maskierung des Verbrennungsmotors erhöhte Anforderungen an das NVH-Verhalten. Da zudem die Pegel der Schwingungsanregung durch das Getriebe und die elektrische Maschine mit steigender Drehzahl zunehmen, ist die Optimierung des akustischen Verhaltens bei Hochdrehzahl-Antriebssträngen besonders wichtig. Dafür werden heute regelmäßig die Einzelkomponenten wie Wechselrichter, E-Maschine und Getriebe optimiert. Wegen des bestehenden Zielkonflikts, z. B. zwischen Flankentragfähigkeit der Verzahnung und geringer Schwingungsanregung, ist grundsätzlich in der Auslegung ein Kompromiss zu finden – bei Antrieben für EV ist der Fokus entsprechend stärker auf die NVH-Optimierung zu legen. Zur zielsicheren Simulation und Bewertung entsprechender Zahnflankengeometrien, die heute noch ohne Berücksichtigung der Tragfähigkeitsgesichtspunkte für eine bestimmte Nennlast optimiert werden, fehlen aber leistungsfähige Erfahrungswerte und validierte Methoden. Zur Optimierung von Verzahnungen für EV sind daher heute zeit- und kostenintensive Versuche nötig. Im Zusammenbau kann sich das Geräusch- und Schwingungsverhalten des gesamten Antriebsstrangs, durch die gegenseitige Beeinflussung der Einzelkomponenten, jedoch trotzdem als nicht zufriedenstellend herausstellen. Maßgebliche Eingriffe in die Auslegung der Einzelkomponenten sind zu diesem Zeitpunkt aber aus wirtschaftlichen Gründen oder aufgrund von technischen Restriktionen meist nicht mehr sinnvoll.

Neben den konstruktiven Maßnahmen kann die Geräuschanregung durch die elektrische Maschine und dem Getriebe mittels Modulierung des Motorstroms bzw. Motormoments mit genau abgestimmten harmonischen Schwingungen beeinflusst werden. Bereits in Speed4E konnte die Anregung des Getriebes für einzelne Frequenzen durch ein zusätzliches Kompensationsmoment signifikant gesenkt werden.

Ziele:

NVH-Verhalten Verzahnung:

Für das NVH-Verhalten von Verzahnungen lassen sich zwei Hauptziele definieren: Die Erweiterung des Berechnungsumfangs und die Detaillierung der Berechnungsmethoden.

Die Erweiterung des Berechnungsumfanges bezieht sich insbesondere auf die Berücksichtigung von Einflüssen aus der Fertigung. Hierbei geht es vor allem darum, geräuschkritische Effekte, die während der Fertigung auftreten, zu erfassen. Durch das Ableiten und Definieren dieser Effekte soll eine Berechnungsmethode entwickelt werden, die es ermöglicht, diese geräuschkritischen Einflüsse frühzeitig zu berechnen. Ein solcher Effekt, der beispielsweise durch das Schleifen von Verzahnungen entsteht, sind Welligkeiten auf der Verzahnungsflanke, die durch das Fertigungsverfahren bedingt sind. Diese Welligkeiten äußern sich in unganzzahligen Anregungsordnungen und beeinflussen das Geräuschverhalten des Getriebes. Die Detaillierung der Berechnung zielt darauf ab, die Genauigkeit der berechneten Ergebnisse des Berechnungsprogramms DZP zu verbessern. Um dies zu erreichen, müssen die bestehenden Berechnungsmethoden einer gründlichen Analyse unterzogen werden, um etwaige Unschärfen oder Ungenauigkeiten zu identifizieren. Besonders im Fokus stehen dabei die Berechnungsansätze für die Verzahnungssteifigkeit und Verzahnungsverformung. Durch die anschließende Optimierung dieser Berechnungsansätze können Flankenmodifikationen betriebspunktbezogen präziser ausgelegt und optimiert werden.

NVH-Verhalten E-Maschine / Leistungselektronik:

Die aktive Vibrations- und Geräuschunterdrückung soll im Forschungsprojekt Opt4E auf die elektrische Maschine erweitert werden. Zusätzlich soll auch hier eine gesamtheitliche Betrachtung erfolgen, d. h., dass erforscht werden soll, inwieweit eine parallele aktive Geräuschreduzierung von Getriebe und elektrischer Maschine sinnvoll ist. Der Vorteil von aktiven Verfahren zur Geräuschreduzierung ist neben der eigentlichen Reduzierung, dass im Auslegungsprozess weitere Freiheitsgrade zur Verfügung stehen. So könnte eine wirkungsgradoptimierte Verzahnung mit mäßigem akustischem Verhalten eingesetzt werden, weil in kritischen Bereichen die Geräusche aktiv reduziert werden können.

Arbeitspaket 3
Thermomanagement

AP-Leitung: FZG, TU München

Motivation / Herausforderung:

Verzahnungen – Untersuchungen zum Verlustleistungsverhalten von Zahnrädern bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten:

Bei der Entwicklung von Getriebesystemen steht neben der Tragfähigkeit und dem NVH-Verhalten gleichermaßen die Verlustleistung im Fokus, welche üblicherweise durch den Wirkungsgrad angegeben wird. Die Verlustleistung von Zahnrädern kann nach ISO TR 14179-2 in lastunabhängige und lastabhängige Verzahnungsverlustleistungen eingeteilt werden. Durch die Nutzung niedrigviskoser Schmierstoffe kann die lastunabhängige Verzahnungsverlustleistung bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten deutlich reduzieren werden. Häufig nimmt die lastabhängige Verzahnungsverlustleistung einen großen Anteil an der Gesamtverlustleistung eines Getriebes ein. Zur Berechnung der lastabhängigen Verzahnungsverlustleistung wird die Verzahnungsreibungszahl benötigt, welche durch verschiedene Ansätze ermittelt werden kann. Etablierte experimentelle Methoden weisen häufig im Bereich der maximal untersuchbaren Umfangsgeschwindigkeit Einschränkungen auf und wurden häufig für Schmierstoffe höherer Viskositäten abgeleitet. In Opt4E wird der Fokus auf der Ermittlung der Verzahnungsreibungszahl bei niedrigviskosen, teils wasserhaltigen Schmierstoffen unter höheren Umfangsgeschwindigkeiten gelegt.

Thermomanagement – Ganzheitliches Thermomanagement für eine Electric Drive Unit:

Der Gesamtwirkungsgrad einer Electric Drive Unit lässt sich durch bedarfs-gerechte Schmierung und Kühlung jeder Antriebsstrangkomponente gezielt optimieren und beeinflussen. Das Konzept eines ganzheitlichen Thermomanagements (Mono-Fluid-Circuit) stellt dabei eine gekoppelte Kühlung und Schmierung von Leistungselektronik, Antriebsmaschine, Getriebe und gegebenenfalls Batterie in einem gemeinsamen Kreislauf, mit nur einem Fluid dar. Konventionelle Konzepte wie ein Seperated-Fluid-Circuit verwenden heutzutage ein Fluid für die Kühlung und ein Fluid zur Schmierung der mechanischen Bauteile, welche sich in zwei getrennten Kreisläufen befinden. Durch ein Mono-Fluid-Thermal-Management können dagegen Ressourcen, Kosten und Bauraum durch die Verwendung eines einzelnen Kreislaufs reduziert werden. Fluide mit funktionalem Wasseranteil sind für diesen Einsatz vielversprechend, da sie günstige kalorische Kenndaten zur Kühlung und niedrige Reibungsverluste in tribologischen Kontakten vereinen. Das Arbeitspaket 3 sieht den Vergleich eines konventionellen Seperated-Fluid-Circuit mit dem Ansatz des Mono-Fluid-Circuit vor. Neben simulativen Betrachtungen einer EDU werden ebenfalls experimentelle Untersuchungen am Thermomanagement des Opt4E-Antriebs durchgeführt und die Effizienzverbesserung durch ein zweckgerichtetes Thermomanagement betrachtet.

Ziel:

Entwicklung einer Auslegungsmethode zur gesamtheitlichen Abbildung des Thermomanagements von batterieelektrischen Fahrzeugen

Arbeitspaket 4
Wirkungsgrad und Tribologie

AP-Leitung: IMKT, Uni Hannover

Motivation / Herausforderung:

Zur Entwicklung und Beurteilung mechanischer Antriebsstränge ist eine valide theoretische Betrachtung des Gesamtsystems unabdingbar. Verbreitete Berechnungsmodelle zur Bestimmung von Einzelverlusten von Maschinenelementen decken dabei zumeist nicht valide den Bereich höchster Drehzahlen ab. Innerhalb des AP4 werden deshalb weitreichende Untersuchungen an verschiedenen Maschinenelementen, zur Validierung oder Erweiterung von Berechnungsansätzen, durchgeführt. Dabei teilt sich das AP4 in vier Unterarbeitspakete, welche voneinander unabhängig je ein Maschinenelement in verschiedenen Betriebszuständen untersuchen. Die erhaltenen Ergebnisse stellen weiter die Grundlage der Betrachtung der Maschinenelemente in der Optimierungsumgebung (siehe AP6). Im AP4 werden Wälzlager (IMKT+SCHAEFFLER), Dichtungen (IMKT), Verzahnungen (FZG) sowie Kupplungen (FZG) untersucht. Es werden moderne niedrigviskose Getriebeöle sowie ein wasserhaltiges Fluid als Schmierstoff in den Komponententests eingesetzt.

Motivation Wälzlager – Untersuchungen zum Verlustverhalten von Kugel- und Rollenlager bei höchsten Drehzahlen:

Die Verlustleistung eines Wälzlagers lässt sich auf verschieden Teilverluste zurückführen. Zum einen wird Energie aufgrund der Deformation der Gegenkörper dissipiert. Weiter resultieren Verluste aus der Gleitbewegung zwischen den Kugeln und Laufbahnen, da auf Grund der gekrümmten Oberflächen kein reines Rollen vorliegt. Der über das Drehzahlband variabelste Verlustanteil stellt die hydrodynamische Rollreibung dar, welcher vorwiegend von der resultierenden Schmierfilmhöhe im Wälzkontakt beeinflusst wird. Die Berechnung der Schmierfilmhöhe und damit der Gesamtverluste eines Wälzlagers stellt gerade im Bereich höchster Drehzahlen erhöhten Forschungsbedarf. Innerhalb dieses Arbeitspakets werden Verlustmessungen an Kugel- und Rollenlagern durchgeführt um eine Datenbasis für die Validierung von Berechnungsmodellen zu erzeugen. Weiter werden Untersuchungen unter Minimalmengen- sowie Einspritzschmierung durchgeführt, um den Einfluss des Überangebots an Schmierstoff auf die thermische Entwicklung sowie die Gesamtverluste der Lagerung zu betrachten.

Motivation Dichtungen:

Die Abdichtung moderner Hochdrehzahlantriebe stellt insbesondere aufgrund der hohen Drehzahlen und der notwendigen statischen Dichtheit eine Herausforderung dar. Derzeit verfügbare kommerzielle berührende Dichtungslösungen sind in der Lage, Drehzahlen von bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute zu bewältigen. Bei darüberhinausgehenden Drehzahlen ist die thermische Belastung berührender Dichtungen durch Reibungsverluste so hoch, dass üblicherweise auf berührungslose Dichtungen zurückgegriffen wird. Diese bieten jedoch, speziell in Verbindung mit niedrigviskosen Schmierstoffen, keine Garantie für die erforderliche statische Dichtheit. In diesem Arbeitspaket werden daher Dichtungskonzepte für Hochdrehzahlantriebe entwickelt und bezüglich ihrer Dichtungsperformance und ihres Reibungsverhaltens eingehend analysiert. Ein weiterer Aspekt der Forschung ist die begrenzte Kenntnis der Verträglichkeit elastomerer Dichtungsmaterialien mit neuartigen Schmierstoffen, die durch entsprechende Verträglichkeitsuntersuchungen erweitert werden soll.

Für die Berechnung der Verlustleistung existieren empirische Berechnungsmodelle, die eine zuverlässige Abschätzung der Dichtungsreibung elastomerer Dichtungen ermöglichen. Diese Modelle müssen jedoch hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit bei niedrigviskosen Schmierstoffen und höheren Drehzahlen validiert werden. Zu diesem Zweck wird die Dichtungsreibung experimentell bestimmt; die dabei gewonnenen Daten bieten die Grundlage zur Validierung und gegebenenfalls zur Erweiterung bestehender Modelle.

Motivation Kupplungen:

Das Reibungsverhalten spielt eine zentrale Rolle bei der Anwendung nasslaufender Lamellenkupplungen und unterliegt zahlreichen Einflüssen. Einerseits sollte die Reibungszahl möglichst hoch sein, um eine zuverlässige Drehmomentübertragung zu gewährleisten. Andererseits erfordert eine präzise Regelbarkeit, hoher Komfort und eine geringe Reibschwingneigung einen positiven Anstieg der Reibungszahl in Abhängigkeit der Gleitgeschwindigkeit. Entscheidend ist hierbei die Kombination aus Reibmaterial und Schmierstoff, welche im Rahmen experimenteller Versuchsreihen systematisch untersucht wird.

Im geöffneten Zustand und unter Differenzdrehzahl verursachen nasslaufende Lamellenkupplungen durch Scherung des Öls Schleppverluste. Das Schleppverlustverhalten ist von diversen Geometrie- und Betriebsparametern abhängig, mitunter von der Ölviskosität. Grundsätzlich gilt, dass niedrigviskose Öle großes Potential zur Reduzierung der Schleppverluste bieten. Es werden systematische Untersuchung zum Schleppverlustverhalten neuartiger Schmierstoffe und Reibpaarungen durchgeführt.

Auf Basis der generierten Versuchsdaten soll ein datenbasiertes und gesamtheitliches KI-Modell zur Prädiktion des Reibungs- und Schleppverlustverhaltens nasslaufender Lamellenkupplungen entwickelt werden. Mithilfe der Prädiktionsmodelle kann zukünftig eine schnelle und anwendernahe Auslegung des gesamten Kupplungssystems durchgeführt und folglich eine maßgebliche Verkürzung der Entwicklungszeit erreicht werden. Durch die Verwendung von neuartigen Schmierstoffen und alternativen Reibpaarungen für die Datengenerierung wird gleichzeitig der Stand der Technik erweitert und eine Grundlage geschaffen, um zukünftig ein Kupplungsdesign hoher Effizienz und Leistungsdichte zu realisieren.

Ziele:

Weiterentwicklung bestehender Berechnungsmodelle zur Beschreibung der Verlustleistung von mechanischen Antriebsstrangkomponenten bis in den Hochdrehzahlbereich

Arbeitspaket 5
Fahr- und Schaltkomfort

AP-Leitung: IMS, TU Darmstadt

Motivation / Herausforderung:

Die in Opt4E erarbeiteten Erkenntnisse und Methoden sollen in einer Entwicklungsplattform als Methodenträger programmiert werden. In diesem Arbeitsfeld soll die Komfortbewertung wissenschaftlich fundiert in diese Entwicklungsplattform zur Optimierung des Antriebssystems einfließen. Dafür wird ein vorhandener Längsdynamik-Fahrsimulator verwendet, bei dem es möglich ist, Drehmomentverläufe zu applizieren und dadurch beliebige Fahrzeugbeschleunigungen zu simulieren. Der Simulator wird für die Probandenstudien vorbereitet, um Anfahr- und Schaltvorgänge verschiedener Topologien elektrischer Antriebsstränge zu untersuchen.

Ziele:

Das übergeordnete Ziel des Arbeitspakets ist die Objektivierung des Fahr- und Schaltkomforts und die Verbesserung der Schaltsysteme durch innovative Ansätze und gezielte Weiterentwicklungen. Hierbei sollen sowohl objektive als auch subjektive Bewertungsmethoden einbezogen werden, um eine umfassende Optimierung zu gewährleisten.

In Probandenstudien soll mit dem Längsdynamik-Fahrsimulator die subjektive Wahrnehmung von Anfahr- und Schaltvorgängen untersucht und durch geschickte Befragung eine Objektivierung ermöglicht werden. Zur effizienteren Gestaltung der Probandenstudien können Vorstudien am Realfahrzeug oder im vorhandenen Längsdynamik-Fahrsimulator durchgeführt werden. Dabei soll unter anderem der Einfluss der akustischen Wahrnehmung des E-Antriebs auf die subjektive Wahrnehmung untersucht werden.

Im Projekt Speed4E wurde ein dediziertes Schaltungssytem für elektrische Mehrgang-Fahrzeugantriebe entwickelt. Im Rahmen von Opt4E wird ein detailliertes Kosten- und Emissionsmodell dieses Schaltungssystems in die multikriterielle Optimierung mit einfließen, sodass ein fairer Vergleich zwischen den verschiedenen Antriebstopologien ermöglicht wird. Hierfür werden skalierbare, hochautomatisierbare Fertigungsverfahren für Schaltungskomponenten entwickelt und validiert. Zudem wird in Opt4E ein datenbasiertes KI-Modell zu Prädiktion des dynamischen Schaltverhaltens einer nasslaufenden Lamellenkupplung entwickelt. Damit wird ein Vergleich zweier Schaltungssysteme in der multikriteriellen Optimierung ermöglicht.

Arbeitspaket 6
Multikriterielle Antriebsstrang-Optimierung

AP-Leitung: IMS, TU Darmstadt

Motivation / Herausforderung:

Die Optimierung eines elektrischen Antriebstrangs hat je nach Detaillierungsgrad sowohl auf der mechanischen, als auch auf der elektrischen Seite sehr viele Variation- und somit Optimierungsmöglichkeiten. Viele Hersteller optimieren ihre eigene Komponente in selbst gesteckten Grenzen und haben hierfür teilweise eigene, teilweise zugekaufte Simulationssoftware. Dabei besteht das Risiko, dass kleinere Effekte mit sehr großem Aufwand detailliert untersucht und optimiert werden und andere nicht im Fokus stehende Einflüsse sehr vereinfacht betrachtet werden. Um eine multikriterielle Gesamtoptimierung zu ermöglichen, muss darauf geachtet werden, dass die Detaillierungsgrade der Untermodelle für eine Simulation angemessen zu wählen, um einerseits verfälschende Vereinfachungen auszuschließen, andererseits jedoch auch unnötige Rechenleistungen zu vermeiden. Um für verschiedene Detaillierungsgrade die Simulationsumgebung generisch zu halten, sind viele Schnittstellen zu definieren und zu wählen. Um das in diesem Projekt besonders im Fokus stehende NVH-Verhalten und die Thermischen Abhängigkeiten zu analysieren, sind hier einige in herkömmlichen Simulationsprogrammen oft vernachlässigte Schnittstellen und Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Zuletzt entsteht hier ein organisatorisches Risiko, dass zum Ende des Projekts alle parallel Entwickelten Modelle aufeinander abgestimmt sein müssen um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erhalten.

Ziele:

Das übergeordnete Ziel von Opt4E ist die Programmierung einer Entwicklungsplattform als Methodenträger, mit der elektrische Achsantriebe modellbasiert optimiert werden können. Basierend auf den Ergebnissen aus den anderen Arbeitsfeldern kann die Optimierung bedarfsgerecht ausgeführt werden. Eine Prognose der zu erwarteten Rechenzeit soll die Gestaltung des Optimierungsprozesses unterstützen. Das Ergebnis der Optimierung soll die Objektivierung durch Key-Performance-Indicators (KPIs) (Effizienz, Performance, Kosten, Bauraum, …) sein, nach denen eine optimale Antriebskonfiguration für veränderliche Randbedingungen und Gewichtungen bestimmt wird. Eine übergeordnete Software mit Benutzeroberfläche soll die Bedienung für den Nutzer vereinfachen und fühlt je nach Eingabe die angefragten Optimierungsprozesse automatisiert aus. Außerdem sollen im Postprocessing Simulations- und 3D-CAD-Modelle für weitere Untersuchungen exportiert werden können. Auf diesem Weg werden Schnittstellen gebildet, die es dem Nutzer ermöglichen den Optimierungsprozess nachzuvollziehen und gezielt zu beeinflussen. Die von den Partnern in diesem Projekt entwickelten untergeordneten Simulationen sollen in individuellen Simulationsumgebungen eingebettet werden und nach Möglichkeit im Detaillierungsgrad variabel gehalten werden. So soll es dem Nutzer ermöglicht werden zunächst in der Bereite schnelle Simulationsergebnisse zu generieren bevor gezielt Bereiche für deine genauere Optimierung definiert werden können. Die untergeordneten Simulationen sollen dabei auch auf unterschiedlichen Hochleistungsrechnern ausgeführt werden können. Wenn möglich, sollen Modelle abgeleitet werden, die das Verhalten der komplexen Berechnungen für die Gesamtoptimierung rechenzeitreduziert abbilden. Dabei kann es sinnvoll sein die komplexen Zusammenhänge als gray- oder black-box-model und mit Hilfe von Maschine Learning abzubilden. Über definierte Kommunikationsschnittstellen sollen die generierten Modelle mit Ein- und Ausgabeparametern sowohl mit anderen Modellen, als auch mit dem übergeordneten Optimierer Daten austauschen.