Mobilität der Zukunft: Herausforderungen in der Produktentwicklung der Autoindustrie

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Das Klimapaket ist geschnürt, und die Automobilindustrie steht vor dem größten Umbruch ihrer über 100-jährigen Geschichte: Ab 2035 soll es, wenn denn das EU-Klimapaket Bestand hat, keine neuen Verbrenner auf Europas Straßen geben. Doch bis dahin ist es für viele Hersteller und OEMs noch ein langer Weg. Dabei können mit den richtigen Entwicklungswerkzeugen etliche Steine aus dem Weg geräumt werden.

Mit Blick auf die Straßen, die sich zunehmend mit Elektrofahrzeugen füllen, wird auch dem Letzten klar, dass die Elektromobilität in der Mobilität der Zukunft nicht mehr aufzuhalten ist. Während sich manche „junge“ Hersteller von vorneherein batteriegetriebenen Fahrzeugen verschrieben haben und erst gar keine Verbrennungsmotoren anbieten, fahren andere, insbesondere die etablierten Marken, noch zweigleisig.

Mobilität der Zukunft: Die Zeit drängt

Diese Automobilhersteller stehen vor der Herkulesaufgabe, ihre Produktentwicklung schnellstens und vor allem wirtschaftlich erfolgreich auf diese Antriebsart umzustellen. Veränderung ist hier längst keine Kür mehr, sondern Pflicht – und das mit einem konkreten Zeitplan: Schon ab 2035 sollen EU-weit keine Verbrenner mehr zugelassen werden, in einigen Ländern ist die Galgenfrist noch kürzer, wie zum Beispiel in dem Nicht-EU-Land Norwegen, wo ab 2025 keine Verbrenner mehr verkauft werden dürfen. Höchste Zeit, die Produktentwicklung anzupassen oder gar ganz neu aufzustellen.

Für die erfolgreiche Entwicklung von Elektrofahrzeugen sind effiziente Designprozesse erforderlich, denn nur so können die komplexen Architekturen batteriebetriebener Fahrzeuge bereits in der frühen Entwicklungsphase besser beurteilt und Konstruktions- und Fertigungsentscheidungen fundiert getroffen werden. Dabei gibt es eine Vielzahl fahrzeuginterner, kundenspezifischer und gesetzlicher Anforderungen zu beachten, die in komplexer Weise mit Parametern wie Gewicht, Strukturverhalten und letztendlich dem Entwicklungsaufwand zusammenhängen.

Das gilt zwar auch für die Entwicklung von Verbrennern, allerdings sind die Ingenieure bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit „neuen“ Herausforderungen konfrontiert, wie zum Beispiel einer komplett veränderten Innenraumakustik, bei der plötzlich Geräusche zu hören und Schwingungen spürbar sind, die bisher von der Motoranregung überdeckt wurden. Für den Kunden stehen primär Attribute wie Reichweite, Kosten und Ladezeiten im Fokus, allerdings sind auch dort nur optimale Werte zu erzielen, wenn das Gesamtsystem Elektrofahrzeug dank einer effizienten Entwicklungsmethodik optimal ausgelegt wurde (zum Beispiel Leichtbau und Energieeffizienz).

Für die Entwicklung von EV-Antriebsträngen gilt ebenso wie für die Auslegung moderner Verbrennungsmotoren, dass die Effizienz kontinuierlich gesteigert werden muss, um Leistungsverluste zu minimieren. Dabei sind für die Leistung von Elektrofahrzeugen vor allem thermische Probleme ein begrenzender Faktor; deshalb müssen komplexe (gekoppelte) multiphysikalische Phänomene detailliert und schnell erfasst werden können, um ein optimales Wärmemanagement zu erreichen.

Produktentwicklung für die Mobilität der Zukunft

Ein erfolgversprechendes Instrument für mehr Effizienz in der Entwicklung bietet die Integration von System-Level- und multidisziplinären Simulationslösungen, die es Ingenieuren ermöglicht, die komplexen Architekturen batteriebetriebener Fahrzeuge als Ganzes besser zu verstehen und zielgerichtet zu optimieren. So hat Porsche einen simulationsgetriebenen Ansatz genutzt, um Drehmoment und Leistung eines E-Motors unter definierten Fahrbedingungen zu maximieren. Mittels Kombination von Optimierungswerkzeugen für thermische Simulation, Multiphysiksimulation und Strukturoptimierung der Rotorgeometrie konnten E-Motoren mit maximierter Leistung und minimierter Drehmoment-Welligkeit entwickelt und so höhere Standards gesetzt werden.

Hürden überwinden

In Gesprächen mit den OEMs kristallisiert sich immer wieder heraus, dass eine der größten Herausforderungen darin besteht, die verschiedenen Entwicklungsdisziplinen abteilungsübergreifend zusammen arbeiten zu lassen. Dafür müssen Unternehmen ihre Arbeitsabläufe grundlegend ändern und Werkzeuge nutzen, die alle Beteiligten näher zusammenbringen und so die Grundlage für ein modernes, zukunftsweisendes Produktdesign ermöglichen. Dazu gehört, Simulation bereits in einer frühen Design- oder Konzeptphase einzusetzen, um möglichst viele Designuntersuchungen durchführen zu können und dem Team dadurch eine Entscheidungsgrundlage zu bieten, das Erfolgspotenzial verschiedener Konzepte zu beurteilen. Altair, ein Unternehmen im Bereich Computational Engineering und Intelligence, hat sich zum Ziel gesetzt, die Entscheidungsfindung seiner Kunden mit Hilfe der Simulation und eines datengetriebenen Designansatzes zu verbessern, um Innovationen zu beschleunigen.

Die erfolgreiche Neudefinition der Mobilität wird tiefgreifende Veränderungen in den dahinter liegenden Designprozessen erfordern. Für die intelligenten Mobilitätslösungen der Zukunft müssen neben den klassischen Methoden der Simulation daher weitere Technologien in den Fokus rücken: künstliche Intelligenz (KI), maschinelles Lernen (ML) und neuronale Netze, zusammen mit Fähigkeiten in den Bereichen Datenanalyse, High-Performance Computing (HPC) und natürlich der Multiphysik-Simulation. So hoch der Stellenwert jeder einzelnen dieser Technologien ist – noch wichtiger wird es sein, die Insellösungen der einzelnen Entwicklungsdisziplinen zu verlassen, um diese Elemente in einer innovativen, kollaborativen Fahrzeugentwicklung zusammenzuführen.

Intelligente Mobilitätslösungen

Für die Mobilität von morgen sieht sich Altair mit der branchenweit umfangreichsten Software-Plattform von Physik-Solvern und integrierten Multiphysik-Workflows sowie durchgängigen Optimierungs- und Data-Intelligence-Lösungen gerüstet. Altairs Simulationstechnologien und Beratungsleistungen machen das Unternehmen zu einem leistungsstarken Innovationsschrittmacher, der bereits mit etablierten Elektrofahrzeug-OEMs und -Zulieferern, aber auch jungen Start-ups zusammenarbeitet. Integrierte Simulationslösungen ermöglichen es den Designern, die komplexen Architekturen zu verstehen und für das bestmögliche Fahrerlebnis zu optimieren.

Darüber hinaus können mithilfe einer einheitlichen, skalierbaren Data Analytics Plattform bereits im frühen Designprozess zukunftsweisende Konzepte und Leistungskriterien identifiziert und weiterentwickelt werden. Klimaziele durch CO2-freie Automobile zu erreichen ist das eine, genauso wichtig ist aber, dass sich die Engineering-Community eine grundsätzlich nachhaltigere Denkweise zu eigen macht. Die für eine nachhaltigere Produktentwicklung benötigten Werkzeuge stellen Anbieter wie Altair mit ihren Lösungen bereit.

Von Christoph Donker.

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