Simulieren geht über Reparieren

Die Forscher am Grazer Kompetenzzentrum Virtual Vehicle setzen auf Simulation, um die Autoentwicklung zu optimieren und zu beschleunigen

Volkswagen simuliert, Mercedes ebenso, auch Toyota - kaum ein Autohersteller kann heute darauf verzichten, die Bauteile seiner Fahrzeuge virtuell zu erproben. Ein Grund dafür ist, dass die Simulation kostengünstiger ist, als einen Prototyp zu bauen. "Außerdem hat man die Möglichkeit, eine Vielzahl an Varianten im Vorfeld durchrechnen zu können. Man sieht auf diese Weise bereits, bevor man das Auto zusammenbaut, wie sich bestimmte Komponenten verhalten werden", sagt Josef Zehetner vom "Kompetenzzentrum - Das virtuelle Fahrzeug", kurz Virtual Vehicle oder VIF, in Graz. Zehetner leitet dort die Forschungsgruppe Co-Simulation.

Partner aus der Industrie

Das Kompetenzzentrum existiert seit 2002 und wird seit 2008 im Rahmen des Comet-K2-Programms gefördert. Geldgeber sind das Verkehrsministerium, das Wirtschaftsministerium, die Wirtschaftsförderung des Landes Steiermark (SFG) sowie die an den Forschungsprojekten beteiligten Industriepartner, die 50 Prozent des Projektvolumens finanzieren. Als internationales Forschungszentrum befasst sich das VIF mit Fahrzeugentwicklung und zukünftigen Fahrzeugkonzepten für Straße und Schiene. Wesentliche Elemente sind dabei die Verknüpfung von numerischer Simulation und experimenteller Absicherung sowie eine umfassende Systemsimulation bis hin zum Gesamtfahrzeug.

Ein Gesamtsystem zu simulieren sei aber nicht ganz einfach, schildert Zehetner: "Um eine hocheffiziente Voraussage des Systemverhaltens in der Simulation machen zu können, braucht man eine sehr genaue Modellierung, sprich eine virtuelle Darstellung der Fahrzeugteile." Viele dieser Komponentenmodelle wurden bereits in hochspezialisierten Simulationswerkzeugen in den jeweiligen Firmen erstellt.

"Das Problem, vor dem wir standen, war, all diese Komponentensimulationsmodelle zu verbinden, um eine Systemsimulation zu ermöglichen", sagt Zehetner, "Das ist die Idee hinter der Co-Simulation." Mit der unabhängigen Co-Simulation-Plattform Icos (Independent Co-Simulation) wurde es möglich, verschiedene gängige Simulationswerkzeuge zu integrieren, zu koppeln und vor allem zu synchronisieren. Gelungen sei dies mit einer Vielzahl von Algorithmen, sagt Zehetner. "Daraus ist ein Tool entstanden, das wir laufend weiterentwickeln und das wir auch zum Kauf anbieten."

Konkrete Beispiele in der Anwendung von Icos wie die Optimierung der Lebensdauer von Batterien in Hybridfahrzeugen oder in der Analyse integraler Sicherheitssysteme, erzielen deutliche Einsparungen bei Entwicklungszeit und Entwicklungskosten von Fahrzeugen, schildert Zehetner weiter. "Wobei es von der Systemtechnik her egal ist, ob ich einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor simuliere", sagt Zehetner.

Die Simulation eines E-Motors sei wesentlich einfacher, weil bei diesem weniger Stellgrößen zu berücksichtigen seien. "Beim Verbrennungsmotor hat man hingegen viele Parameter, die man laufend überwachen muss. Dafür habe ich beim Elektroauto ein Problem mit der Energiedichte der Batterie" , erklärt Zehetner. Verglichen mit Benzin oder Diesel, beide weisen eine hohe Energiedichte auf, komme man mit einer Batterie nach derzeitigem Entwicklungsstand gerade einmal 150 Kilometer weit.

Heizen belastet Batterie

"Mit einer Tankfüllung komme ich 1000 Kilometer weit. Ich kann den Tank innerhalb weniger Minuten wieder anfüllen, und das Fahrzeug ist wieder betriebsbereit," sagt Zehetner. Die Batterie wiederum brauche mehrere Stunden, um wiederaufgeladen zu werden. Es tut sich also eine Reihe an Anforderungen an ein reales Auto auf, die in die Simulation eines Gesamtsystems miteinfließen sollten - auch Umwelteinflüsse. "Beim E-Auto muss man darauf mehr Rücksicht nehmen: Ist es kalt, muss ich heizen. Das belastet die Batterie", sagt Zehetner. Aktuell bringt das VIF sein Know-how in das EU-Forschungsprojekt E-VECTOORC (Electric Vehicle Control of Individual Wheel Torque for On- and Off-Road Conditions) ein. Zehetner leitet das Projekt am Kompetenzzentrum. Neben der individuellen und hochfrequenten (Dreh-)Momentenregelung der eingebauten E-Motoren für den Antrieb sollen unter anderem die Prozesse und Simulationen in einem frühen Stadium der Fahrzeugentwicklung optimiert werden.

Ziel ist es, durch Simulation Entwicklungsparameter bald automatisch auf unterschiedliche Fahrzeuge individuell abstimmen zu können. So könnten Luxusklasselimousinen, Geländefahrzeuge und Fahrzeuge im breiten Massensegment parallel entwickelt werden. Ein Versuchsfahrzeug gibt es bereits - damit und mit den entsprechenden Softwaredaten soll es möglich sein, die erzielten Projektergebnisse auf mehrere Fahrzeugkategorien anzuwenden. Das soll Zeit und Kosten sparen. (Markus Böhm, DER STANDARD, 19.12.2012)