Simulation Fallbeispiel Toyota: Multiphysics-Simulation für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Elektro- und Hybridantriebe sind komplexe Systeme, in denen viele Parameter aufeinander abgestimmt und mit Blick auf Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten optimiert werden müssen. Dies sowie die Einhaltung von immer kürzeren Entwicklungszyklen sind mit herkömmlichen Entwicklungs- und Prototyping-Methoden nicht mehr umzusetzen. Eine Lösung sind Multiphysics-Simulationen.

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Die allgemeine Problemstellung bei der Entwicklung von Motoren für Elektro- und Hybridfahrzeuge lautet, aus vielen Design-Alternativen die richtige, sprich im Markt erfolgreiche zu finden – und das in kürzester Zeit“, erläutert Olaf Hädrich, Team Leader Customer & Sales Support bei Ansys Germany. „Eine Lösung sind integrierte Multiphysics-Simulationsmethoden, mit denen sich Design-Alternativen in Form von virtuellen Prototypen zeitsparend entwickeln und unter Berücksichtigung realistischer Einsatzszenarien analysieren lassen.“

Virtuelle Prototypen ermöglichen exakte Simulationen

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.

Genaue elektromagnetische Simulationen

Mit einer Studie auf der Basis von Entwicklungs- und Leistungsdaten, die vom Oak Ridge National Laboratory in einem Report über den THS-II-Hybridmotor von Toyota veröffentlicht wurden, demonstrieren Ingenieure von Ansys die Geschwindigkeit und Genauigkeit ihrer elektromagnetischen Simulation. THS steht im Übrigen für ‚Toyota Hybrid System‘ und ist ein wirtschaftliches Antriebsaggregat, das in der zweiten Generation unter der Bezeichnung THS-II eingeführt wurde. Der Antrieb wird von den Japanern 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.

FEM-Modell des Antriebssystems

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 diverse Randbedingungen, wie Eingangsstrom, Spannung und Rotorposition, umgesetzt. Die Software berechnete aus diesen Informationen mehrere Ausgangswerte für den Motor, beispielsweise Drehmoment, Induktivität und mechanische Systemverluste. Die Gesamtheit der Daten ergibt eine so genannte ‚physics-based Solution-Domain-Map‘ – also eine Art Landkarte bestehend aus Lösungspunkten, welche die Leistungsdaten des Motors für bestimmte elektrische Eingangsgrößen definieren.

Die Lösungszeit beschleunigen

Mit Hilfe der Solution-Domain-Map als Lookup-Tabelle zur Charakterisierung des Motors modellierte das Entwicklungsteam im nächsten Schritt eine Ersatzschaltung für eine parametrische Simulation auf Systemebene mit Ansys Simplorer, um das Motordrehmoment und die anderen Ausgangsparameter zu berechnen. Dabei wird das Maxwell-Modell durch Ordnungsreduktion erheblich vereinfacht und nur das für die Anwendung wesentlichste magnetische Verhalten abgebildet. Dadurch verringert sich die Lösungszeit um mehrere Zehnerpotenzen. Dieses reduzierte Modell wird in eine Schaltungssimulation mit Simplorer eingebracht, um danach Hunderttausende Parametervariationen zu berechnen.

Simulation in Echtzeit

Die mit dieser Systemsimulation generierten Vorhersagen korrelierten gut mit den veröffentlichten Ausgangsdaten des Motors, was die Genauigkeit der Methode demonstrierte. Dieser Ansatz auf der Systemebene hat den Vorteil, dass die Vorhersagen der Motorausgangsdaten praktisch verzögerungsfrei und mit der gleichen Genauigkeit wie die FEM-Modelle, bei denen der Netzaufbau und der Lösungsvorgang mehrere Stunden dauern, erfolgen können.

„Aus diesem Grund ist das Verfahren ein gutes Instrument, mit dem Entwicklungsteams in der Automobilindustrie die Designs elektrischer Antriebsmotoren schnell analysieren und optimieren können, ohne zahlreiche zeitraubende physische Prototypen-Zyklen durchlaufen zu müssen“, fasst Olaf Hädrich zusammen. „Die Vorhersagen erweisen sich in den frühen Stadien der Motorentwicklung als hilfreich, um verschiedene Kombinationen von Steuerungsverfahren, Antriebswellengrößen, Magnetarten, usw. durchzuspielen und den Motor damit zu optimieren.“ (mz)

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