Das Klimaziel der EU ist ambitioniert und macht auch vor PKWs nicht Halt: Im Jahr 2020 dürfen Neuwagen nur mehr durchschnittlich 95 Gramm CO2 pro Kilometer ausstoßen, 2015 lag der CO2-Ausstoß eines Neuwagens bei rund 120 Gramm. Die drastische Reduktionsmaßnahme ist begründet, da PKWs momentan zu den maßgeblichen Verursachern von CO2-Emissionen zählen. Der aktuell vielversprechendste Ansatz zur CO2-Reduktion liegt in der Elektrifizierung des Antriebs, entweder in rein elektrischen Fahrzeugen oder in Hybridfahrzeugen, die eine Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotor antreibt. Die Fahrzeughersteller haben zwei Möglichkeiten: komplett neue Fahrzeuge entwickeln oder bestehende Modelle anpassen. Bei der Auslegung des elektrischen Antriebs sind verschiedene Anforderungen an die Leistungsfähigkeit, die Energieeffizienz, den Bauraum und die Kosten zu beachten, die sich gegenseitig in komplexer Weise beeinflussen.
Bei der Auslegung des elektrischen Antriebs müssen Aspekte aus verschiedenen Domänen berücksichtigt werden.
Genau dieser Herausforderung stellt sich Martin Hofstetter vom Institut für Fahrzeugtechnik der TU Graz: In seiner Dissertation entwickelt er einen computerunterstützten Auslegungsprozess, der den elektrischen Antriebsstrang für Hybrid- und Elektroautos optimal dimensionieren soll. Berücksichtigt werden die Leistungsfähigkeit, die Energieeffizienz, die Bauraumbeschränkungen des jeweiligen Automodells und die entstehenden Kosten. "Derzeit kann durch konventionelle Berechnungsmethoden das Optimierungspotenzial für elektrische Antriebe nicht vollkommen ausgeschöpft werden. Mit dem neuen Prozess soll in Zukunft außerdem der Entwicklungsaufwand reduziert werden, was die Entwicklungskosten und so auch die Fahrzeugkosten senken kann", führt Martin Hofstetter aus.
Das digitale Bauraummodell (rot) bildet geometrische Einschränkungen ab, die sich aus der Fahrzeugkonstruktion ergeben. Basierend darauf werden Lösungsvorschläge für Elektromotor, Getriebe und Leistungselektronik berechnet (grau).
Entscheidender Faktor Preis
Elektro- und Hybridautos sind den klassischen Benzin- oder Dieselfahrzeugen nicht nur in puncto Schadstoffemissionen einen Gang voraus: Der elektrische Antrieb wirkt sich auch positiv auf das Beschleunigungsverhalten und auf die Geräuschentwicklung aus. Die höheren Anschaffungskosten bei Elektro- und Hybridautos sind jedoch weitgehend dafür verantwortlich, dass sich Konsumentinnen und Konsumenten noch nicht öfter für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben entscheiden.
Schneller zur besten Lösung
Die von Martin Hofstetter entwickelte Software basiert auf einer Bibliothek bereits verfügbarer Komponententechnologien, also unterschiedlichen Elektromotoren, Getriebemodellen und Varianten der Leistungselektronik. "Die Software trifft auf Basis der Anforderungen automatisch eine Vorauswahl der geeigneten Bauteile, die dann im nächsten Schritt im Gesamtsystem hinsichtlich Platzbedarf, Leistung und Kostenaufwand gegeneinander abgewogen werden können", erläutert Martin Hofstetter. "So können wir mehrere Lösungen mit ihren jeweiligen technisch bedingten Vor- und Nachteilen nebeneinander betrachten, und dadurch die beste Kombination der Bauteile finden."
Das von Martin Hofstetter entworfene "Werkzeug" soll vor allem in der frühen Projektphase der Fahrzeugentwicklung unterstützen, wenn noch nicht klar ist, welches technische Konzept den Anforderungen am besten gerecht wird. Durch die Computerunterstützung wird das beste Konzept zur Auslegung des elektrischen Antriebs schneller gefunden, und das Entwicklungsteam kann sich stärker auf die technisch anspruchsvollen Detaillösungen konzentrieren.
Martin Hofstetter (Mitte) gewann bereits mit seiner Masterarbeit den Road Award des Travisions Contests 2016, an dem 130 Studierende aus 14 EU-Staaten teilnahmen. Der jährlich stattfindende Contest wird vom EU-Förderprogramm Horizon 2020 getragen, um innovative Forschungsprojekte für die Zukunft der europäischen Transportindustrie zu würdigen.
