"Hybrid-Antrieb - Simulation liefert gute Trendaussagen"

Im Entwicklungsprozess von Antriebssystemen spielen Simulationsmodelle eine immer zentralere Rolle. Dies führt dazu, dass die an die Simulationsmodelle gestellten Anforderungen stark steigen, da einerseits hohe Qualität und Zuverlässigkeit Voraussetzung für einen effizienten Einsatz sind und andererseits die Anzahl der Parameter, die für immer komplexere Berechnungen zu berücksichtigen sind, überproportional wächst. all4engineers befragte Dr. Gotthard Rainer, bei der AVL List GmbH Geschäftsbereichsleiter - Advanced Simulation Technologies, zu Möglichkeiten und Grenzen moderner Simulationsmodelle und wie nahe ihre Ergebnisse bereits an die Realität heranreichen.

Inwieweit beeinflusst die CO2-Diskussion die Aktivitäten der AVL Advanced Simulation Technologies?
Für die strategische Entscheidung, welche Software wir entwickeln und wie wir sie entwickeln an sich, ist die CO2-Diskussion gar nicht so wichtig. Das Simulationsziel "Verbrauchsreduktion" ist durch die bestehenden Software-Module weitgehend abgedeckt. Wichtig ist, dass die Eigenschaften von alternativen Kraftstoffen verfügbar sind, um die richtigen Parameter für die Verbrennungssimulation zu definieren. Hier sind sicher noch einige Anstrengungen notwendig, um die chemischen Komponenten in richtiger Form in die Simulation zu bringen.Die Berechnung der Emissionen hingegen stellt ein riesiges Thema dar, das noch nicht gelöst ist. Die Modelle zur Emissions- und Verbrennungssimulation sind noch nicht präzise genug, um genaue Vorhersagen zu liefern, sie sind aber durchaus in der Lage, den Ingenieur bei der Entscheidungsfindung zu unterstützen. Aufgrund der "neuen" Themenschwerpunkte wie eben Simulation von Emissionen haben wir zunehmend Mitarbeiter aus dem Bereich Chemie/Verfahrenstechnik aufgebaut, um hier "break through"- Technologien zu entwickeln.

Woran liegt es, dass diese Modelle noch zu unpräzise sind?
Das hängt an der physikalisch-chemischen Modellierung des Verbrennungsvorgangs, der extrem komplex ist und bei dem wir die Summe aller Zusammenhänge und aller Parameter noch nicht kennen. Wer eine Verbrennung genau modellieren will, braucht außerdem entsprechende Computer-Ressourcen. Und da stoßen wir auch heute noch an Grenzen.

Wie sind Tests am Prüfstand und Simulation bei AVL verknüpft?
Da man nicht alle Größen messen kann, die zur Beurteilung eines Motors erforderlich sind, hat die AVL sehr früh begonnen, Simulationsmodule in Prüfstände zu integrieren. Simulationsmodelle, die offline laufen und verhältnismäßig zeitintensiv sind, werden entweder in "abgespeckter" Form in Richtung Echtzeit entwickelt, oder Realtime-Modelle mit Hilfe aufwändiger Simulationen gefüttert. Ziel ist hier, in Zukunft "Hardware-in-the-Loop"-Test (HiL) zu etablieren. Ein weiterer Aspekt ist, dass komplexe Simulationen durch die Erfahrung aus dem Engineering unterstützt und zusätzlich immer mit realen Messungen abgeglichen werden müssen. Die Erfahrung des Ingenieurs bei der Ergebnisauswertung hilft zudem, die Simulationsmodelle auf ein höheres Niveau an Genauigkeit zu hieven.

Simulation erledigt also schnell viel Arbeit und der "gute Ingenieur" sowie die erzielten Messwerte verifizieren die Ergebnisse.
Richtig. Ich simuliere zu Beginn der Entwicklung sehr stark im Bereich der Konstruktionsunterstützung, begleite dann die Prototypenphase und gleiche dort Simulationsergebnisse mit Messergebnissen ab. Ich simuliere dort, wo Simulation stark ist, und messe jene Parameter, bei denen eine Simulation aufgrund von simulatorisch noch nicht erfassbarer Nichtlinearitäten beziehungsweise physikalisch/chemischen Parametern wesentlich zu aufwändig oder sogar unmöglich ist.

Was wird in puncto Verkürzung der Entwicklungszeiten innerhalb der nächsten fünf Jahre möglich sein?
Gegenfrage: Ist eine weitere Verkürzung der Entwicklungszeiten - wir gehen von 48 Monaten über 36, vielleicht auch von 24 Monaten aus - überhaupt notwendig und sinnvoll?

Die Marketing-Abteilungen der OEMs könnten schneller reagieren, wenn die Fahrzeugmodelle nicht schon vier Jahre vor ihrem Marktstart feststehen müssten.
Ja gewiss, aber zahlreiche Rückrufaktionen aufgrund von Fehlern, die eindeutig aus der Entwicklung kommen, lassen schnell die Frage nach der Verhältnismäßigkeit aufkommen. Muss man den Vorsprung, den man durch Simulation zu Beginn in der Konzeptphase erreicht, unbedingt in eine Verkürzung stecken, oder ist er nicht besser in einer Qualitätssteigerung aufgehoben?

Was hat sich bei der Software-Entwicklung in der letzten Dekade verändert?
Vor etwa zehn Jahren wurde besonders computerintensive Software vor allem im Forschungsbereich von Spezialisten angewandt. Das hat sich stark geändert. Immer mehr Ingenieure verwenden, da sie parallel andere Aufgaben mit zu erfüllen haben, Software nur noch zeitweise. Die Entwicklung der Software musste mit Blick auf Ergonomie und Zuverlässigkeit stärker vereinfacht und formalisiert werden - protokollierbar, wiederholbar, nachvollziehbar. Die Techniken, die dies sicherstellen wie SPICE oder CMMI kommen ursprünglich aus der Entwicklung von Embedded Software - denn Software von ECUs darf keine Fehler enthalten - und werden heute auch im Prozess zur Entwicklung von Offline-Software eingesetzt. Dadurch werden Qualität und Zuverlässigkeit stark erhöht, jedoch auch der Entwicklungsaufwand pro Software-Einheit steigt extrem.

Woher hat die AVL als langjähriger Spezialist für Verbrennungsmotoren das zur Simulation von Hybrid-Antriebssystemen erforderliche Wissen über Elektromotoren und Batterien?
Wir haben natürlich gezielt Spezialisten für Getriebe und Antriebsstrang eingestellt. Bei der Simulationssoftware-Entwicklung waren es Fachleute, die aus den Gebieten der Elektrotechnik und Physik kommen, der Mathematik und des Maschinenbaus. Selbstverständlich haben wir auch Module (vor allem Elektokomponenten) von externen Spezialisten entwickeln lassen.

Wie kann die Simulation eine effiziente Entwicklung von Hybrid-Antriebssystemen unterstützen?
Der wichtigste Faktor in diesem Zusammenhang ist, dass AVL in der hervorragenden Situation ist, dass Engineering, Prüfstandsentwicklung und mathematische Simulation unter einem Dach verfügbar sind. Aus den Synergien gelingt es hier, neue Methoden zu entwickeln und bestehende Berechnungsmodelle zu erweitern (zum Beispiel: transiente Start-Stop-Thematik), um möglichst viele Phänomene des Hybrid-Antriebs berücksichtigen zu können. Simulation ist schon heute so zuverlässig, dass sie sehr gute Entscheidungsgrundlagen liefert, auch wenn Hybrid-Technologie derzeit noch stark am Prüfstand in der Applikation entwickelt wird.

Bitte erklären Sie uns kurz die Bedeutung der Abkürzung "DoE".
Sie bedeutet "Design-of-Experiment" und stammt aus der Messtechnik. Um Einflüsse der unterschiedlichen Parameter korrekt abzubilden, muss das gesamte Kennfeld eines Motors auf dem Prüfstand abgedeckt werden - vom Leerlauf zu Volllast, von der Leerlaufdrehzahl bis zur Maximaldrehzahl. Was die Genauigkeit angeht, wäre es ideal, Drehzahlen, Momente und Belastungen in sehr engen Schritten abzufahren. Dies jedoch führt zu einem enorm hohen Testaufwand - zeitlich wie finanziell. DoE hilft, die Anzahl der Tests dadurch zu reduzieren, indem es jene entscheidenden Parameter aussucht, die in jedem Fall untersucht werden müssen, um einen Rückschluss auf das Gesamtverhalten des Motors im Kennfeld zu ermöglichen. Diese Technik wurde inzwischen auch auf Simulationsrechnungen adaptiert.

Wie wird Antriebsstrang-Entwicklung der Zukunft von moderner Simulation profitieren?
Die Simulation wird dazu führen, dass die Produktreife am Ende der Konzept- beziehungsweise in der Vorentwicklungsphase schon relativ hoch ist. Das macht es möglich, schneller Teilsysteme in Hardware umzusetzen und früher mit Komponententests zu beginnen. Die Simulation wird, da ihre Ergebnisse besser mit Testergebnissen abgeglichen sind, stärker im gesamten Entwicklungsprozess aktiv sein und der Test wird weniger stark dominieren, jedoch unverzichtbar bleiben. Was die ECU-Entwicklungen angeht, gehe ich davon aus, dass sie in fünf bis zehn Jahren von der Hardware-getriebenen Seite komplett auf die Software-getriebene Seite übergehen. ECU-Entwicklung geschieht dann in einem sehr frühen Stadium des Entwicklungsprozesses und wird nahezu komplett auf Ergebnissen der Simulation basieren.

Ich danke Ihnen, Herr Dr. Rainer, für das Gespräch.

Zur Person:
Dr. Gotthard Ph. Rainer, Vice President Advanced Simulation Technologies
1973 - Wissenschaftlicher Mitarbeiter, TH Darmstadt
1978 - Forschungsingenieur, AVL
1982 - Abteilungsleiter - Mechanik und Festigkeit / Software / AVL
1986 - Hauptabteilungsleiter - Computer Aided Engineering
1991 - Hauptabteilungsleiter - Strukturanalyse1996 - Geschäftsbereichsleiter - Advanced Simulation Technologies

Autor(en): Thomas Jungmann

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