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Wie Simulation die Entwicklung der E-Mobilität beschleunigt

| Autor / Redakteur: Dr. Sandeep Sovani / Benjamin Kirchbeck

Um den regulatorischen Anforderungen gerecht zu werden, entwickelt sich die Antriebs-DNA des Automobils rasant vom Verbrennungsmotor zum elektrischen Antriebsstrang. Doch nur durch den Einsatz von Simulation lässt sich der Herstellungsprozess schnell, kostengünstig und innovativ gestalten.

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(Bild: ©temp-64GTX - stock.adobe.com)

Der erfolgreiche Übergang zur E-Mobilität bleibt für die europäischen Automobilhersteller eine der wichtigsten industriellen Prioritäten. Die BEV-Produktion in Europa lag 2019 bei 750.000 und wird voraussichtlich bis 2025 auf vier Millionen ansteigen. Das entspricht mehr als einem Fünftel der gesamten Automobilproduktion in der EU. Der Volkswagen-Konzern (Volkswagen, Audi, SEAT, Porsche und Skoda) wird mit 50 verschiedenen BEV-Modellen und einer Million Fahrzeugen bis 2025 die BEV-Produktion in der EU anführen.

Wie sich die zukünftige Produktion und der Verkauf von EVs entwickelt, hängt weitgehend von gesetzlichen Vorschriften und Klimazielen ab. Denn die Automobilhersteller müssen die EU-Ziele zur Senkung der CO2-Emissionen einhalten. Diese sehen einen Rückgang des CO2-Ausstoßes bei Neuwagen im Vergleich zum Jahr 2021 von 15 Prozent ab 2025 und von 37,5 Prozent ab 2030 vor.

Neben Einhaltung der gesetzlichen Normen müssen die Automobilhersteller auch die Marktanforderungen erfüllen. Die Verbrauchernachfrage zeigt, dass BEVs eine vergleichbare Leistung zum Verbrenner bieten sollten. Die Ingenieure müssen hierzu die Kapazität der BEV-Batterien bis 2025 um etwa 20 Prozent von aktuell 50 kWh auf 60 kWh erhöhen und die Reichweite der Fahrzeuge um mehr als 50 km steigern.

Außerdem müssen die Autohersteller die Batteriekosten senken, um BEVs gegenüber Verbrennungsmotoren kostentechnisch wettbewerbsfähig zu gestalten sowie die Ladezeit der Batterien verringern. Es ist keine leichte Aufgabe, die gesetzlichen Vorschriften einzuhalten und den Marktanforderungen gerecht zu werden. Die Lieferketten der Automobilhersteller müssen innerhalb eines engen Entwicklungsfensters so umgebaut werden, dass Fahrzeugkomponenten und -systeme vollständig elektrisch betrieben werden können.

Wie können diese Herausforderungen mit Simulation gelöst werden?

Die technische Simulation ist nach wie vor die einzige schnelle und kosteneffiziente Möglichkeit, um die vielen Hindernisse zu überwinden, die bei der Elektrifizierung der Produkte und der schnellen Entwicklung von BEVs aufkommen. Die Simulation bewältigt einen hohen Grad an technischer Komplexität. Dadurch lassen sich Produktionsmethoden schnell anpassen und anspruchsvolle Konstruktionsanforderungen innerhalb enger Zeitvorgaben erfüllen.

Die Simulation optimiert und verstärkt Bauteile, wie zum Beispiel Batterien erheblich. Mithilfe von Simulation werden die derzeitigen BEV-Batterietechniker in der Lage sein, rasch neue chemische Verfahren zu entwickeln, die weniger Cobalt und mehr Nickel benötigen. Dies führt zu erschwinglicheren, schnell aufladbaren Batterien mit mehr Reichweite und hoher Kapazität, die bei gleicher Masse mehr Energie speichern.

Über die Batterien hinaus bleibt die Simulation essenzieller Bestandteil für die Entwicklung optimaler BEV-Leistungselektronik, elektrischer Maschinen und Ladesysteme. Zudem erleichtert die Simulation die Verbindung dieser Bauteile mit der Batterie, um ein optimales elektrisches Antriebssystem zu entwickeln.

Von der Rennstrecke auf die Straße

Unternehmen wie Volkswagen Motorsport und Porsche Motorsport setzen schon heute modernste Simulation zur Entwicklung ihrer Elektro-Rennwagen ein, um die Kosten von physischen Tests zu reduzieren. Volkswagen nutzte Simulation zur Optimierung seines Rekordrennwagens ID.R. Der ID.R stellte letztes Jahr einen neuen Rundenrekord für BEVs auf der Nürburgring-Nordschleife auf, einer der anspruchsvollsten Rennstrecken der Welt. . Die Ingenieure von VW haben mithilfe von Simulation die Effizienz der Batterie verbessert, um eine Überhitzung zu verhindern sowie die Aerodynamik des Autos. Das zahlte sich vor allem in den zahlreichen engen Kurven und starken Steigungen aus.

Bei ihrer ersten Formel-E-Meisterschaft 2019 setzte Porsche Multiphysiksimulation ein, um einen hochmodernen Elektroantrieb für den Porsche 99X Electric Rennwagen zu entwickeln. Die Simulation verhalf den Ingenieuren zu einem Höchstmaß an Energieeffizienz. Das Auto bewältigte damit hohe Geschwindigkeiten über lange Strecken bei minimalem Energieverbrauch. Die Systeme und Bauteile dieser Fahrzeuge tragen dazu bei, die heutigen Grenzen der E-Mobilität zu verschieben und die kommerzielle Entwicklung von BEVs weiter zu beschleunigen.

Simulation ist der Schlüssel für die E-Revolution

Die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen in Europa kennzeichnet einen wichtigen Meilenstein in der Geschichte des Automobils. Wir sehen den größten Paradigmenwechsel im Transportwesen seit der Markteinführung des Autos mit Verbrennungsmotor vor über einem Jahrhundert.

Staatliche Behörden und Verbraucher fordern E-Mobilität in der nahen Zukunft. Dafür müssen BEVs weiter optimiert werden, um Kosten, Komfort und Fahrleistung bieten zu können, die den heutigen Autos entsprechen. Simulation ist der Schlüssel, um bahnbrechende BEV-Innovationen und die Entwicklung von zukünftigen Batterien und Antriebssträngen voranzutreiben, die Konstruktionskosten zu senken und die Markteinführung zu beschleunigen.

* Dr. Sandeep Sovani ist als Director Global Automotive Industry bei ANSYS verantwortlich für die Entwicklung der Marktstrategie des Unternehmens hinsichtlich der globalen Automobilindustrie inklusive autonomer Fahrzeuge.

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