F r A u N h o F e r - P r o j e k t g r u P P e N e u e A N t r i e b S S y S t e m e N A S

hybride antriebe elektromobilität

konstruktion

konventionelle antriebe

Projektgruppenas

stationäre antriebe und Wärmenutzung

Versuch

simulation Leichtbau im antriebsstrang

FraunhoFer-ProjektgruPPe neue antriebssysteme nas

Die Antr iebstechnik zukünft iger Mobi l i tätskonzepte sowie die un-

abhängige und nachhalt ige Energieversorgung für unsere Gesel l -

schaft gehören zu den aktuel len und wesent l ichen Herausforde-

rungen im Bereich der Wissenschaft und Technik. Aus diesem

Grund wird innerhalb der Fraunhofer-Projektgruppe Neue An-

tr iebssysteme die anwendungsnahe Forschung sowie die Durch-

führung von vorser ienreifen Produktentwicklungen mit höchster

Pr ior i tät vorangetr ieben.

Die Entwicklungsstrategie der Projektgruppe Neue Antr iebssyste-

me spiegelt s ich in v ier Forschungsbereichen wider: Hybr ide An-

tr iebe und Elektromobi l i tät , konvent ionel le Antr iebe, stat ionäre

Antr iebe und Wärmenutzung sowie Leichtbau im Antr iebsstrang.

Um Projekte in den genannten Arbeitsfe ldern bearbeiten zu kön-

nen, greif t d ie Projektgruppe auf interne Kompetenzen in den Be-

re ichen Konstrukt ion, S imulat ion und Versuch zurück. In a l len drei

Kompetenzbereichen kommen modernste Softwaretools und Prüf-

stände zum Einsatz. So wird für die Konstrukt ion CATIA V5 einge-

setzt , während Dymola, GT Power, MatLab Simul ink, S IMPACK,

Star CCM+ und Ansys für die S imulat ion und Auslegung zum Ein-

satz kommen. Für die Erprobung von anwendungsnahen Konzepten

stehen eigene modern ausgestattete Prüfstände zur Verfügung.

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n e u e a n t r i e b s s y s t e m e n a s

Dr.-ing. hans-Peter kollmeier

Projektgruppenleiter

Telefon +49 7 21 9150-3811

Telefax +49 7 21 9150-38810

hans-peter.kollmeier@ict.fraunhofer.de

hybriDe ANtriebe uND elektromobil ität

Die Steigerung der Reichweite, des Komforts und der Nutzer-

akzeptanz durch Optimierungen an den Einzelkomponenten

und dem Gesamtsystem liegt im Fokus der Anstrengungen.

Die Forschungsaktivitäten gliedern sich hierbei in die

Unterbereiche Antriebstrang, Batterie, Elektrik/Elektronik

sowie Thermomanagement. Zur Erreichung der Projektziele

werden alle Kompetenzbereiche mit eingebunden, sei es

zur Erprobung auf HIL-Prüfständen, der Fahrzeugsimulation

oder der konstruktiven Umsetzung von Kühlkonzepten für

Leistungselektronik.

StAtioNäre ANtriebe uND WärmeNutzuNg

Alle Forschungsarbeiten in diesem Bereich stehen unter dem

Gesamtkontext der Entwicklung von innovativen Kraft-Wärme-

Kopplungssystemen zur Effizienzsteigerung einer gesamten

Mini-Blockheizkraftwerk-Anlage (MBHKW). Der Fokus liegt

hierbei auf der Integration geeigneter Speichersysteme

(elektrisch und thermisch) zur Energiebereitstellung

unabhängig vom Betrieb des Energiewandlers. Dabei

zeigen sich vor allem thermochemische Wärmespeicher-

systeme auf Zeolithbasis oder auf PCM basierende latente

Wärmespeichersysteme als sehr gute Möglichkeit, dieser

Anforderung nachzukommen. In enger Zusammenarbeit mit

der Abteilung Energetische Systeme des Fraunhofer ICT kann

somit die gesamte Entwicklungskette von der Definition der

notwendigen Randbedingungen für Wärmespeicher über

die Materialcharakterisierung bis zur Konstruktion und dem

Bau von Wärmespeicherprototypen abgedeckt werden. Im

Bereich des Antriebs stehen vor allem die Dauerhaltbarkeit des

Energiewandlers und die Realisierung eines möglichst langen

Wartungsintervalls im Vordergrund der Forschungsarbeiten.

Forschungsbereiche

koNveNtioNelle ANtriebe

Legislative Vorgaben den CO2-Ausstoß zu minimieren sowie

die Entwicklung der Preise für fossile Energieträger zwingen

die Automobilhersteller die Effizienz ihrer Produkte zu steigern

und nach Lösungen für nachhaltige Mobilitätskonzepte zu

suchen. Der Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten im

Bereich der konventionellen Antriebe liegt auf der Effizienz-

steigerung von verbrennungsmotorischen Antriebskonzepten

und leicht elektrifizierten Antriebsstrangtopologien. Unsere

Forschungsschwerpunkte umfassen folgende Themen:

Bewertung innovativer Antriebsstrangkonzepte

und deren Komponenten

Restwärmenutzung

Reibungsminimierung

Betriebs- und Erprobungsstrategien

le ichtbAu im ANtriebSStrANg

Die Arbeiten fokussieren sich auf Möglichkeiten zur

Effizienzsteigerung durch die Massenreduktion von bewegten

und nicht bewegten Bauteilen in konventionellen und

elektrifizierten Antriebssträngen für mobile Anwendungen.

Hier wird durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien wie

Leichtmetallen, Verbundwerkstoffen und Keramiken und

vor allem durch die Kombination dieser Werkstoffe in

hybrider Bauweise ein Leichtbaupotential gegenüber einer

klassisch metallischen Bauweise aufgezeigt. Projekte, die eine

material- und fertigungsgerechte Konstruktion von Leicht-

bau-Antriebskomponenten erfordern, stehen dabei in diesem

Forschungsbereich im Vordergrund.

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n e u e a n t r i e b s s y s t e m e n a s

Thermische Optimierung des Kühlkreislaufs eines

eigenentwickelten Einzylinder-Forschungsmotors

mittels numerischer Strömungs-Struktur-

Kopplung.

SimulAtioN

Der Kompetenzbereich Simulation beschäftigt sich mit der

Modellierung und Analyse von Einzelkomponenten und

Gesamtsystemen. Entwicklung und Herstellung dieser Kompo-

nenten und Systeme sind im Allgemeinen mit hohem Aufwand

verbunden. Des Weiteren wird eine zügige Umsetzung von

der ursprünglichen Idee zum Bauteil mit wenigen Korrekturen

angestrebt. Diese Anforderungen machen die Simulation zu

einem zwingenden Bestandteil des Entwicklungsprozesses, um

Potentiale und Schwächen frühzeitig zu erkennen und das Wis-

sen darüber in den Entwicklungsprozess einfließen zu lassen.

Somit lassen sich mithilfe der Simulation neue Konstruktionen

verifizieren und der Versuchsaufwand minimieren.

Um das Verhalten einzelner Komponenten im Zusammenspiel

auf Systemebene erfassen zu können, kommen bei der

Projektgruppe NAS Simulationstools zur Wärme-, Stoff- und

Informationsübertragung, wie »Dymola« und »GT-Suite«, zum

Einsatz. Die Komponenten werden dabei physikalisch oder

kennfeldbasiert modelliert. Das Gesamtfahrzeug-Simulations-

tool »IPG-CarMaker« ermöglicht es, Fahrzeuge in variable

Subsysteme modular zu zerlegen und deren Wirksamkeit im

Fahrbetrieb zu untersuchen. Damit ist es möglich, die Ver-

brauchsvorteile der betrachteten Technologien in Fahrzyklen

zu berechnen.

Bei der Betrachtung von Antriebssystemen treten sehr viele

Strömungsprozesse unterschiedlichster Ausprägung und

physikalischer Komplexität auf. Seien es Gasgemisch-Strömun-

gen wie beim Ladungswechsel im Verbrennungsmotor oder

Fluidströmungen in Kühlkreisläufen. Um das Verhalten dieser

Strömungen nachvollziehen zu können und detailliert zu

betrachten, werden professionelle CFD-Software, wie »Ansys

Fluent« und »StarCCM+«, eingesetzt.

koNStruktioN

Der Kompetenzbereich Konstruktion erarbeitet, eng verzahnt

mit den Kompetenzbereichen Simulation und Versuch,

technische Lösungen für verschiedene Herausforderungen

aus den Forschungs- und Kompetenzbereichen. In Bezug

auf die Forschungsbereiche werden neben Optimierungen

an bestehenden Bauteilen und Systemen auch komplette

Neuentwicklungen komplexer Systeme, wie zum Beispiel

Expansionsaggregate für Restwärmenutzungssysteme,

durchgeführt. Dabei kann es sich zum Beispiel um Prototypen

zur Validierung neuer Funktionsprinzipien oder Anordnungs-

konzepte von thermischen Energiewandlern wie Turbinen oder

Kolbenmaschinen handeln.

Oft liegt der Fokus bei der Entwicklung auf der Nutzung neuer

Materialien und Fertigungsprozesse. So wird für Komponenten

für Verbrennungsmotoren zum einen die Substitution von

Aluminium durch duroplastische Spritzgussmaterialien unter-

sucht, zum anderen werden durch den Einsatz von Selective

Laser Melting (SLM) zur Rohteilgenerierung gestalterische Frei-

heitsgrade genutzt, um optimierte Bauteile zu generieren. Des

Weiteren werden Konzepte zum Packaging selbstentwickelter

elektronischer Komponenten, die für elektrische Antriebsträn-

ge benötigt werden, erarbeitet. Auch Packaging Konzepte für

komplette konventionelle oder elektrifizierte Antriebstränge

in Fahrzeugen werden in verschiedenen Projekten bearbeitet.

Um beim Prüfbetrieb die Vergleichbarkeit unterschiedlicher

Prüflinge sowie sichere Installationen zu gewährleisten und

die Montagearbeiten zu vereinfachen, werden sämtliche Prüf-

stände und deren Peripherie virtuell im CAD-System entwickelt

und dokumentiert.

komPetenzen

Heißgasprüfstand zur Untersuchung von

Energierückgewinnungsanlagen im Abgasstrom

Restwärmenutzung

Organic-Rankine-Cycle

Abgasturbolader

Alterungsuntersuchungen

Abgasnachbehandlungssysteme

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n e u e a n t r i e b s s y s t e m e n a s

Das Vorhaben »Aufbau und Inbetriebnahme eines Heißgasbrennerprüfstandes für Systemuntersuchungen an

elektrifizierten Antriebssträngen« der Fraunhofer-Projektgruppe Neue Antriebssysteme NAS wird gefördert durch das

operationelle Programm »RWB-EFRE – Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung« der Europäische Union –

Europäischer Fonds für regionale Entwicklung sowie das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft

Baden-Württemberg. Weitere Informationen zu RWB-EFRE erhalten Sie beim Ministerium für Ländlichen Raum

und Verbraucherschutz Baden-Württemberg sowie unter www.rwb-efre.baden-wuerttemberg.de.

In der Industrie und der Forschung ist ein klarer Trend hin zum

Leichtbau zu erkennen. Die Werkstoffe sollen dabei leicht, fest

und temperaturbeständig sein. Der Kompetenzbereich Simu-

lation leistet seinen Beitrag durch Strukturanalysen, um die

Auslegung der Bauteile zu verifizieren und optimieren. Zum

Einsatz kommt die Simulationssoftware »Ansys Mechanical«.

Die Technologien, mit denen sich die Projektgruppe NAS

befasst, weisen teilweise eine hohe Dynamik auf. Um die

Auswirkungen dynamischer Effekte auf das Bauteilverhalten

darstellen zu können, werden Mehrkörpersimulationen mit

dem Simulationsprogramm »SimPack« durchgeführt.

verSuch

Im Kompetenzbereich Versuch werden unterschiedliche Ver-

suchsaufgaben aus den Forschungsbereichen bearbeitet. So

werden die erzielten Messergebnisse herangezogen, um Simu-

lationsmodelle zu validieren und Verbesserungsvorschläge für

die Konstruktion abzuleiten. Hierzu stehen moderne Prüfein

richtungen zur Verfügung. Am Motorprüfstand zum Beispiel

sind vollständige Vermessungen sowohl von Vollmotoren der

kleineren PKW-Größe als auch von 1-Zylinder-Forschungs-

motoren umsetzbar. Der Prüfstand ist so aufgebaut, dass auch

Zusatzsysteme, wie zum Beispiel Restwärmenutzungssysteme,

einfach in die vorhandene Prüfstandsumgebung eingebunden

werden können. Über eine entsprechende Schnittstelle kann

der Verbrennungsmotor auch in eine Simulationsumgebung

als Hardwarekomponente integriert werden, um ihm so eine

realitätsnahe dynamische Belastung aufzuerlegen. Dadurch

ist es möglich, die unterschiedlichsten Antriebstopologien zu

untersuchen. Des Weiteren ist die Vermessung von Abgas-

turboladern mit Hilfe eines Heißgasprüfstands von light-duty

bis medium-duty Fahrzeugen möglich. Außerdem werden

hier oder an einem kleineren mobilen Heißluftprüfstand

experimentelle Analysen von Expandern und Dampferzeugern

für ORC-basierte RWN-Systeme durchgeführt.

Der Heißgasprüfstand ist so ausgestattet, dass auch Unter-

suchungen zur Alterung und Thermoschockbeständigkeit von

Komponenten wie zum Beispiel Wärmetauschern, Rohrleitun-

gen und Abgasanlagen möglich sind.

Daneben verfügt die Projektgruppe NAS noch über weitere

Prüfeinrichtungen zur Untersuchung von MBHKW-Systemen

oder zur Untersuchung der Harnstoffeindosierung von SCR-

Abgasnachbehandlungssystemen. Im Rahmen einer am NAS

entwickelten Methodik werden kundenrepräsentative und

zeitoptimale Prüfprozeduren für Antriebssysteme aus realen

Fahrdaten unter Berücksichtigung sämtlicher Einflussfaktoren

abgeleitet.

Formen der zusammenarbeit

Vorwettbewerbliche Entwicklungsaufgaben bearbeiten wir

zusammen mit unseren Projektpartnern sowohl in geförderten

regionalen, nationalen oder internationalen Verbundprojekten

als auch in direkter bilateraler Kooperation auf Auftragsbasis,

wobei wir eine professionelle und zügige Abwicklung Ihrer

Entwicklungsaufgabe garantieren.

Bilaterale Vertragsforschung

Zusammenarbeit im Rahmen von öffentlich geförderten

Projekten (Land, Bund, EU)

Dienstleistung im Bereich Konstruktion und Simulation

Dienstleistung im Bereich Versuch; System und

Komponentenversuch

Weiterbildung / Beratung / Workshops

Fraunhofer-Projektgruppe

Neue Antriebssysteme NAS

Rintheimer Querallee 2

76131 Karlsruhe

Projektgruppenleitung

Dr.-Ing. Hans-Peter Kollmeier

Telefon +49 7 21 9150-3811

Telefax +49 7 21 9150-38810

hans-peter.kollmeier@ict.fraunhofer.de

www.ict.fraunhofer.de

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