Experten-Forum Powertrain 2022

IMPULSE

Autor: Dr. Johannes Liebl, Herausgeber, ATZ | MTZ | ATZelektronik | ATZheavyduty

Mehr als nur CO₂-Reduzierung

Der Wandel hin zu einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Mobilität umfasst weit mehr als die Reduzierung des CO₂-Ausstoßes. „Es geht uns um die Erhaltung unserer Lebensgrundlagen und nicht nur um CO₂-Reduzierung“, stellte Tim
Koczkowiak von Fridays for Future in der Podiumsdiskussion des Experten-Forums Powertrain klar, das im November 2022 in Hanau stattfand. Damit sprach der junge Umweltschützer so manchem Wissenschaftler und Ingenieur aus dem Herzen. Denn auch die Mehrheit der Fachleute sprach sich auf dem Kongress erneut für ganz­heitliche Bewertungen unterschiedlicher technischer Lösungen aus – etwa für Cradle-to-Grave-Betrachtungen.

Der Kongress vermittelte neueste Erkenntnisse zur Defossilisierung von Energie­systemen und Antrieben sowie zu den dafür erforderlichen Komponenten. Die Nutzung und Wandlung von regenerativ erzeugtem Strom in elektrifizierten Antrieben ist weiterhin ein Schlüssel, um die CO₂-Ziele erreichen zu können. Aber umwelt­freundlich sind Fahrzeuge damit noch lange nicht. Auch die verwendeten Materialien sowie deren ressourcen­schonende Förderung und die Möglichkeit zum Recycling spielen eine entscheidende Rolle, was in zahlreichen Vorträgen behandelt wurde.

Die gesellschaftlichen Anforderungen an Umweltfreundlichkeit haben das Übereinkommen von Paris rechts überholt. Das hat nicht nur moralische, sondern auch wirtschaftliche Implikationen, denn für den Markterfolg muss der Kunde oder
die Kundin mitspielen. Um deren Erwartungen zu erfüllen, müssen die Produkte schon am Anfang des Entwicklungs­prozesses funktional gestaltet werden. Entscheidend ist dafür der interdisziplinäre Austausch und die Zusammenarbeit von Fachleuten, die tiefes Wissen zu Energieträgern, Energiewandlern und Energiespeichern mitbringen und systemisch in Zusammenhängen denken.

Autoren: Patrick Schäfer, Christiane Köllner, Sven Eisenkrämer

Live-Ticker vom Experten-Forum Powertrain 2022

Die fossilen Energieträger sind das Klimaproblem

Warum nicht die Verbrenner das Klimaproblem sind, sondern die fossilen Energieträger, diskutieren Fachleute auf dem Experten-Forum Powertrain 2022. Ausgewählte Vortragsinhalte des MTZ-Fachkongresses im Überblick. 

Das Experten-Forum Powertrain 2022 bietet durch Fachvorträge, Diskussionen und Ausstellung einen tiefen Einblick in elektrifizierte Antriebssysteme und -komponenten. Der von ATZlive veranstaltete 3. MTZ-Fachkongress findet am 9. und 10. November 2022 in Hanau bei Frankfurt am Main statt. Das Programm unter dem Motto "Komponenten und Kompetenzen zukünftiger Antriebe" fokussiert sich auf die Integration der Themenbereiche Energieträger, Energiewandler und Energiespeicher als Schlüsselelemente für nachhaltigen Klimaschutz.

Experten-Forum mit neuer Ausrichtung

Johannes Liebl, Herausgeber der ATZ | MTZ-Gruppe, eröffnet das Experten-Forum Powertrain 2022 im Congress Park in Hanau, das gemeinsam mit den Partnern APL, Schaeffler und AVL stattfindet. Das Experten-Forum hat ein neues Gesicht bekommen: nachhaltiger Klimaschutz und Defossilisierung der Energiesysteme sowie regenerative Energie stehen nun im Mittelpunkt. Übergreifende Themen werden in zwei Strängen behandelt. Laut Liebl wird die Erreichung des 1,5°-Ziels schwierig, es sei bereits 5 nach 12. Regenerative Energie und die Elektrifizierung des Antriebsstranges von Fahrzeugen werden die Schlüssel für nachhaltigen Verkehr darstellen. (ps)

Transformation der Mobilität

In der ersten Keynote gibt Uwe Wagner, Vorstand Forschung und Entwicklung bei Schaeffler, unter dem Titel Systemkompetenz und Wertschöpfungs­tiefe: Innovative Lösungen für die Elektrifizierung des Antriebsstrangs einen Überblick über die Entwicklungs- und Produktstrategie bei Schaeffler. Wagner stellt vor, wie der Konzern die Herausforderungen bei der Transformation im Bereich Mobilität angeht. Die Strategie wird von der Energie­erzeugung, neuen Materialien, der Entwicklung von E-Antrieben, neuen Mobilitätsangeboten, Robotik und Digitalisierung geprägt. Neben der Erzeugung von grünem Wasserstoff, der sowohl für die Produktion etwa von grünem Stahl, für den Antrieb von Fahrzeugen oder für die Speicherung von Energie benötigt wird, stellt Wagner Produktentwicklungen im Bereich E-Antriebe vor. Darunter die 4-in-1-Achse mit der dazugehörigen Leistungs­elektronik auf SiC-Basis oder Thermo­management-Lösungen wie eine Wärmepumpe, die mit CO₂ betrieben wird. Unter anderem sollen die vorgestellten und weitere technische Lösungen wie das Rolling-Chassis dabei helfen, die CO₂-Emissionen im Sektor Mobilität stark zu senken und in Zukunft ganz auf null zu stellen. (ps) 

Der virtuelle Zwilling als Enabler

Dr. Roland Wanker, Vice President AVL Advanced Simulation Technologies, bricht in seiner Keynote Beherrschung der Komplexität mithilfe des Virtuellen Zwillings eine Lanze für "Simulanten": Er sieht eine Zeitenwende bei der Rolle der Simulation im Entwicklungsprozess von Fahrzeugen. Während man lange wenig Vertrauen in Simulation hatte, sei die Situation heute eine andere und erheblich bessere Modelle erlaubten nun, dass die Simulation nicht mehr nur unterstützende Tätigkeiten im Entwicklungsprozess übernähme, sondern führende Tätigkeiten. Wanker spricht vom Begriff des virtuellen Zwillings, der weit über den digitalen Zwilling hinausgeht: Der virtuelle Zwilling umfasse alle Komponenten eines Fahrzeugs und interagiere auch mit allen Komponenten sowie mit Software, Steuergeräten sowie der Umgebung. Die zunehmend komplexere Entwicklung von Produkten und Komponenten sei damit beherrschbarer und man könne sogleich alle Funktionen von Hard- und Software multiphysikalisch betrachten und beurteilen. Separate Entwicklungen funktionierten in einem Elektrofahrzeug nicht mehr, daher sei der neue Stellenwert der Simulation über einen virtuellen Zwilling so bedeutend. Zudem sei der virtuelle Zwilling ein Enabler zu einer noch größeren Nachhaltigkeit im Entwicklungsprozess. (sve)

Vor- und Nachteile verschiedener E-Maschinen

Der Strang "Energiewandler" wird von Professor Dr. Uwe Dieter Grebe (AVL List) moderiert. Im Vortrag Technischer Vergleich von Traktionsmaschinen in Elektrofahrzeugen stellt Dr. Christoph Schmülling, Fachgebietsspezialist Elektrische Maschinen bei Mahle, die grundsätzlichen Eigenschaften der Asynchronmaschine, der fremderregten Synchronmaschine und der permanentmagneterregten Synchronmaschine in einem Pkw aus dem C-Segment vor. Alle Maschinen sind mit einer Maximalleistung von rund 150 kW und einer maximalen Drehzahl von 14.000 min^-1 ausgelegt. In Fahrzyklen und im direkten Vergleich werden Vor- bzw. Nachteile der drei verschiedenen Maschinentypen aufgezeigt. Im Ergebnis eignen sich alle drei grundsätzlich sehr gut als Traktionsantrieb im Pkw. Je nach Randbedingungen bieten sie Vor- und Nachteile in den Bereichen Wirkungsgrad, konstante Leistung und Rohstoffkosten. (ps) 

Chancen und Risiken der Wasserstoffwende

Die Defossilisierung des Energiesystems ist das Thema des Vortrags Zwischen totaler Abhängigkeit und Energieautarkie – wie Wasserstoff unser Energiesystem diversifizieren soll. Dr. Wiebke Lüke, Founder & Managing Director, WEW, spricht im Strang "Wasserstoff" über die politischen und wirtschaftlichen Rahmen­bedingungen für die Erneuerung unseres Energiesystems. "Wasserstoff ist nicht nur ein Hype, sondern kann unser Energiesystem transformieren", sagt Lüke. Denn damit ließe sich die Nutzung von Kohle, Gas und Öl reduzieren. Doch auch wenn Deutschland in Zukunft selbst Wasserstoff erzeugen würde, ist Energieautarkie auch zukünftig aufgrund des großen Bedarfs kaum zu erreichen: Energieimporte aus dem Ausland bleiben notwendig. Der Ausbau der erneuerbaren Energien muss also schnellstmöglich vorangetrieben werden, ebenso der parallele Aufbau der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette. (ps) 

Lösungen für hoch beanspruchte Rotorlagerungen

"Wir drehen auf" – Wälzlagerlösungen für den E-Antriebsstrang lautet der Titel des Vortrags von Dr. Franz Völkel, Leiter F&E Lager bei Schaeffler. Die hohe Drehmoment­kapazität und Drehzahlgrenzen jenseits von 20.000 U/min stellen die Lager in Elektromotoren vor hohe Anforderungen, die bei der Auslegung beachtet werden müssen. Völkel stellt relevante und kritische Lastfälle vor und veranschaulicht detailliert deren Einflüsse auf die Dynamik der Rotorwelle. Unter anderem werden Kugellager und Zylinder­rollenlager vorgestellt, die den besonderen Anforderungen moderner Antriebs­stränge standhalten und zudem weitere Eigenschaften wie geringe Reibung und Selbsterwärmung aufweisen. (ps) 

Batterie­entwicklung: Trend geht in Richtung Cell-to-Pack-Systeme

Wie Cell-to-Pack-Systeme die Batterie­entwicklung verändern und welche neuen Werkzeuge erforderlich sind erläutert Mareike Schmalz, Teamleiterin Batterie-Vorentwicklung bei APL Automobil-Prüftechnik Landau, in ihrem Vortrag des Strangs "Traktionsbatterien" am zweiten Tag der Veranstaltung. Während die Batteriepacks der ersten Generationen noch stark auf etablierte Architekturen und Plattformen aus dem Verbrennungsmotorenbereich basierten, seien nun dedizierte Elektroplattformen und hochintegrierte Batteriesysteme immer verbreiteter. Der Trend gehe in Richtung Cell-to-Pack oder Cell-to-Car-Design. Der Kernansatz von Cell-to-Pack bestehe darin, dass die Zellen nicht mehr in einzelne Module verpackt und dann zu einem Pack kombiniert werden, sondern dass die Zelle direkt in das Batteriepaket eingesetzt wird. Mit dem Konzept Cell-to-Car gehe man noch einen Schritt weiter. Hierbei sollen die Zellen direkt in die Fahrzeug­struktur integriert werden. Die Batterie als Kern­element verschmelze dabei immer mehr mit dem Gesamtfahrzeug. Dies führe zu grundlegenden Veränderungen im Entwicklungs­prozess. Entscheidend seien die Wahl der richtigen Zelle sowie das Verständnis der Zelleigenschaften in ihren Wechselwirkungen mit dem System. LFP-Zellen gewännen in diesem Zusammenhang wieder an Relevanz. Gasbildung, Swelling und Thermal Propagation seien zentrale Herausforderungen. (chk)

Zellmakromodell für den Einsatz in Crashsimulationen

Laut Stanislaw Rybak, Project Leader CAE bei Edag Engineering, ist die Kenntnis über das Zellverhalten in einem Crashlastfall unerlässlich für die Entwicklung eines verlässlichen und sicheren Batteriesystems. Aus diesem Grund habe Edag ein Zellmakro­modell entwickelt, das in Modul-, Batterie- und Gesamt­fahrzeug­simulationen eingesetzt werden könne, so Rybak in seinem Vortrag Simulation und Validierung verschiedener Batterie­zellen für Batterie- und Plug-in-Hybrid-Elektro­­fahrzeuge des Strangs "Traktionsbatterien". So seien Zellmakro­modelle zur Simulation des Kurzschlusses im Crashlastfall entwickelt und mit Versuchen validiert worden. Untersucht wurden zwei Use Cases: das Pouch-Zellmakro­modell Scalebat sowie das zylindrische Makromodell anhand der H2Hybat. Anhand der Simulationen der Scalebat und H2Hybat sei deutlich geworden, dass durch den Einsatz detaillierter Simulations­methoden im Bereich der Zellsimulation zum einen das Gewicht der energie­absorbierenden Bauteile gesenkt und zum anderen die Energiedichte erhöht werden. "Das Zellmakro­modell ermöglicht eine progressivere Auslegung des Batteriesystems bei gleichzeitigem hohen Sicherheitsniveau", so Rybak. (chk)

TCO von Wasserstoffanwendungen mithilfe des Tanksystems optimieren

Ryan Hassoun, Lead of Hydrogen Economy bei P3 automotive, verdeutlicht, dass einer der wichtigsten Faktoren für den Erfolg einer Antriebs­technologie, insbesondere bei kommerziellen Anwendungen, die Gesamtbetriebs­kosten (TCO) sind. So erklärt Hassoun in seinem Vortrag Das Tanksystem als Optimierungs­faktor für die Gesamt­­betriebs­kosten von Wasserstoff­­anwendungen aus dem Strang "Energiespeicher", dass bei den TCO im Fernverkehr die Kraftstoff­kosten eine entscheidende Rolle spielen würden. Daher spielen beim Einsatz von hydrogenen Antriebskonzepten die Kosten der Wasserstoff­beschaffung eine zentrale Rolle, die wiederum zu gleichen Teilen von den Wasserstoff­produktionskosten und den Distributions­kosten (einschließlich der Tankstelle) bestimmt werden. Die Kapital- und Betriebskosten der Kompressoren, die zur Befüllung der Hochdruck-Gasspeicher der aktuellen Wasserstofffahrzeuge genutzt werden, bestimmen maßgeblich die Wasserstoffkosten und wirken sich entsprechend auf die TCO-Leistung aus. Hassoun kommt zu dem Ergebnis, dass die Verwendung von Flüssigwasserstoff in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten eine vorteilhafte Option sein kann, wenn die Flottengröße 65 Betankungsvorgänge pro Tag übersteigt. (chk)

Für Eike Martini, Global Head of System Engineering bei Valeo eAutomotive Germany, ist klar, dass sich ohne ausgefeilte Entwicklungsmethoden E-Antriebe nicht am Markt durchsetzen können. In seinem Keynote-Vortrag No Systems Engineering? No Electrified Powertrain! stellt er einen systematischen System-Engineering-Ansatz vor, der helfen soll, die Anforderungen an E-Antriebe und deren Kompromisse auszubalancieren. Aufgrund zunehmender Komplexität und immer kürzerer Entwicklungszeiten sei die Standardisierung ein Schlüsselelement für eine effiziente Entwicklung. Daher wird ein Arbeitspaketansatz beschrieben, der ReUse und Konsistenz sowie eine kontinuierliche Verbesserung des Entwicklungs­prozesses ermöglichen soll. (chk)

Mobilitätswandel erfordert rasche und dynamische Anpassungen

Robert Gantner, Director BEM bei der Webasto Group, beschäftigt sich in seinem Keynote-Vortrag Die Evolution der Mobilität mit der Transformation der Automobil­branche insbesondere durch alternative Antriebe. Die Wachstums­dynamik bei elektrifizierten Fahrzeugen stelle die gesamte Industrie vor eine große Herausforderung. Der Zeitdruck auf Entwicklung und Industriali­sierung nehme zu. Entlang der gesamten Wertschöpfungs­kette seien neue Ansätze gefordert. Auf Seiten der Hersteller würden die Kompensations­strategien unter anderem eine noch stärkere Modularisierung und Standardi­sierung beinhalten – beginnend auf Zell- und Zellmodulebene. Aber auch die Zulieferer treffe diese verkürzte Time-to-Market. Hier werde durch zusätzliches Frontloading kompensiert. Zusätzlich würden die Anforderungen an die Umgestaltung der Wirtschaft zu einer nachhaltigeren Arbeitsweise zunehmend Geschwindigkeit aufnehmen. (chk)

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