E-Mobility: Mit Simulation zum Batteriemodul

Reichweite und Gewicht sind die Herausforderungen der Elektroautos. Dabei kann beides nicht getrennt voneinander betrachtet werden. Bei der Entwicklung des Projekts Light Car setzte EDAG auf Catia V6 und das Know-how von Transcat PLM. Durch eine zentrale Gesamtfahrzeugbetrachtung konnten so die Wechselwirkungen der Anforderungsparameter multidisziplinär und nachvollziehbar simuliert werden, was den Entwicklungsprozess des Batteriemoduls deutlich effizienter gestaltete.

EDAG Light Car Sharing nennen die Entwickler ihr Konzept: Ein elektroangetriebenes Fahrzeug, das jeder mieten kann, aber keiner kaufen muss. Das Auto wurde von dem Entwicklungsdienstleister aus Fulda speziell für Car Sharing entwickelt. Der Begriff “Light” hat dabei eine Doppeldeutigkeit. Zum einen bezieht er sich auf das besondere Konzept der Außenbeleuchtung, mit dem das Fahrzeug seinen aktuellen Status kommuniziert. Wird es gerade geladen, leuchtet es rot und der Begriff "Charging" wird auf den Boden projiziert. Mit Grün und "Rent Me" zeigt das Auto an, dass es frei ist, Weiß und "Reserved" signalisiert, dass es gerade im Einsatz ist.

Light ist auch die Bauweise. Durch Verwendung von Faserverbundbauteilen in der Karosserie konnte das Fahrzeuggewicht stark gesenkt werden. Das Design ist konsequent auf temporären Gebrauch ausgerichtet. Der ungünstige cw-Wert ist hier für ein Stadtfahrzeug eine zu vernachlässigende Größe. Das Cockpit wurde bei dem Wagen auf das Minimum reduziert. Gas, Bremse, Lenkrad, Blinkerhebel und eine Anzeige, die lediglich Geschwindigkeit, Ladezustand Reichweite und Navigationshinweise darstellt. Heizung, Scheibenwischer oder Licht werden automatisch über Sensoren gesteuert.

Blieb schließlich noch die Herausforderung, für eine möglichst große Reichweite ein optimiertes Batteriemodul hinsichtlich Leistung und Gewicht zu entwickeln – ein ganz entscheidendes Bauteil bei einem Elektroauto. Für das „Systems Engineering“ des Batterieantriebs holte EDAG die Karlsruher Transcat PLM GmbH mit ihrem Partner Modelon ins Boot. Dabei strebte EDAG auch einen Wissenstransfer an, denn dies war das erste Projekt des Entwicklungsdienstleisters, bei dem mit der spartenübergreifenden Plattform Catia V6 eine transparente Simulation des Gesamtsystems durchgeführt wurde. „Elektromobilität stellt auch die Entwicklung vor neue Herausforderungen. Wir wollten die Potenziale von V6 in der Praxis und über alle Entwicklungsbereiche erproben und Rückschlüsse für zukünftige optimierte Entwicklungsprozesse ziehen“, erklärt Michael Hog, Leiter der Fahrzeugintegration bei EDAG. Eine Reduktion von Schnittstellen erschien hierfür ein vielversprechender Ansatz, immerhin nutzt EDAG derzeit rund 40 verschiedene Softwarelösungen. „Die Mitarbeiter von Transcat PLM sind absolute Profis im System Engineering. Dieses Know-how haben sie auch auf sehr effiziente Weise in die Entwicklung des Batteriemoduls eingebracht“, blickt Michael Hog zurück.

Zunächst formulierte Transcat das Lastenheft, beispielsweise bezüglich Fahrleistung, Reichweite Verbrauch, Ladezeiten und Lebensdauer. Dieses Anforderungsmanagement wurde in das Catia Verwaltungsmodul Enovia V6 aufgenommen und für alle Entwicklungsbeteiligten dargestellt. Diese Transparenz sorgt für eine deutliche Zeitersparnis und Fehlerreduktion.

Beim anschließenden sogenannten Packaging wurden die möglichen räumlichen Anordnungen der Bauteile im Fahrzeug im CAD untersucht. Hierzu wurden die Datenblätter der in Frage kommenden Batteriezellen mitsamt ihrer Kühlkörper in der Datenbank hinterlegt. Die Zuordnung der Anforderungen zum Gesamtfahrzeug war dabei für alle Projektbeteiligten sichtbar. Mit V6 3DLive konnten Projektfortschritte und Produktinformationen auch für User ohne CAD-Kenntnisse sehr einfach und mit stets nachvollziehbarem Versionsmanagement visualisiert werden.

Mit der Vorauswahl der Batterie und der Simulation des Akkus in der Anwendung ging es immer mehr in Richtung praktische Umsetzung. Mit dem Simulationsmodell in CATIA Systems wurde das dynamische Verhalten der Batteriemodule im Einsatz untersucht. Die Batterie-Typen mit sämtlichen Daten wurden hierzu von Modelon auf der Basis von Modelica modelliert. Damit konnten die Batterie-Typen als Varianten des Modells für realistische Simulationen verwendet werden. Somit konnte festgestellt werden, welche Variante die beste ist, bezogen auf die Leistung, den Bauraum und die Anforderungen. Schließlich wurde das Thermomanagement der Module per FEM untersucht, denn immerhin ist ein erheblicher Energiebedarf notwendig um die Batteriezellen in der optimalen Betriebstemperatur zu halten.

Die abgestimmte Darstellung des Gesamtfahrzeugkonzepts auf e-Komponenten und die durchgängige Abbildung des Entwicklungsprozesses für das Batteriemodul mit V6 sieht man bei EDAG als zukunftsweisend. „Die V6 Lösung mit der integrierten multidisziplinären Zusammenarbeit bringt deutliche Vorteile gegenüber der Arbeitsweise mit verschiedenen Tools, hinsichtlich Zeit, Transparenz, Nachvollziehbarkeit und sie bietet uns eine beachtliche Datenkonsistenz“, bilanziert Michael Hog.

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