Systemsimulationen für Elektro- und Hybridfahrzeuge Komplexe Zusammenhänge vorab analysieren

Darstellung der Simulation eines luftgekühlten zylindrischen Zellmoduls
Darstellung der Simulation eines luftgekühlten zylindrischen Zellmoduls

Elektro- und Hybridantriebe sind komplexe Systeme, in denen viele Parameter aufeinander abgestimmt und mit Blick auf Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten optimiert werden müssen. Dies ist weniger mit herkömmlichen Entwicklungs- und Prototyping-Methoden als vielmehr mit integrierten Multiphysics-Simulationsmethoden umsetzbar.

Mit integrierten Multiphysics-Simulationsmethoden lassen sich Design-Alternativen in Form von virtuellen Prototypen zeitsparend entwickeln und unter Berücksichtigung realistischer Einsatzszenarien analysieren. Hierbei entstehen virtuelle Prototypen, an denen die Entwickler das Verhalten eines Designs ablesen können, ohne dass physische Hardware benötigt wird. Realistische Betriebsszenarios lassen sich exakt simulieren – einschließlich der Wechselwirkungen zwischen Strömungen, mechanischen Strukturen, thermischen Effekten und elektromagnetischen Kräften. Mit diesem Verfahren lassen sich Design-Alternativen schneller generieren und die Systeme können zu einem frühen Zeitpunkt im Entwicklungsprozess optimiert werden, was spätere unangenehme Überraschungen verhindert.

Mit einer Studie auf der Basis von Entwicklungs- und Leistungsdaten, die vom Oak Ridge National Laboratory in einem Report über den THS-II-Hybridmotor (Toyota Hybrid System) veröffentlicht wurden, demonstrieren Ingenieure von Ansys Geschwindigkeit und Genauigkeit ihrer elektromagnetischen Simulation. THS ist ein Antriebsaggregat, das von Toyota unter dem Markennamen Hybrid Synergy Drive (HSD) geführt und in verschiedenen Entwicklungsstufen in den Fahrzeugen Toyota Prius, Alphard, Auris, Camry, Highlander, Previa und Yaris sowie bei verschiedenen Modellen der Tochter Lexus (hier als Lexus Hybrid Drive) eingesetzt wird.

Für die Simulation erzeugten die Ansys-Entwickler zunächst ein FEM-Modell des Antriebssystems einschließlich Batterie, IGBT-Umrichter, Fahrmotor und Steuerung. Dieses Modell wurde anschließend parametriert und mit der Software „Maxwell“ für unterschiedliche Randbedingungen wie Eingangsstrom, Spannung und Rotorposition umgesetzt. Die Software berechnete aus diesen Informationen mehrere Ausgangswerte für den Motor wie Drehmoment, Induktivität und mechanische Systemverluste. Die Gesamtheit der Daten ergibt eine „Physics-based Solution Domain Map“ – also eine Art Landkarte, bestehend aus Lösungspunkten, die die Leistungsdaten des Motors für bestimmte elektrische Eingangsgrößen definieren.