Der digitale Zwilling ermöglicht – als präzises digitales Abbild – frühzeitige Analysen komplexer Fragen in der Elektro-Nutzfahrzeugentwicklung. Durch Simulation von Antrieben, Energiespeichern und Kühlsystemen eröffnen sich vielseitige Einsatzmöglichkeiten, von Konzeptstudien bis zur effizienten Entscheidungshilfe für Batteriekapazität und Ladelösungen.
Ziel und Zweck eines DigitalTwin
Nicht selten nimmt die Entwicklung eines batterieelektrischen Nutzfahrzeugs sehr viele Ressourcen in Anspruch. Während der Konzept- und Designphase müssen Antriebe, Energiespeicher und Kühlsysteme ausgelegt werden. Oft stellt sich dann die Frage welche Konzepte am besten funktionieren und wo Optimierungen getroffen werden können. Um solche komplexen Fragen bereits in einer sehr frühen Entwicklungsphase betrachten zu können, hat Durot Electric zusammen mit der Ostschweizer Fachhochschule OST und dem Institut für Entwicklung Mechatronischer Systeme (EMS), einen DigitalTwin – also ein genaues digitales Abbild eines batterieelektrischen Nutzfahrzeugs – entwickelt. Als Simulationsumgebung für den DigitalTwin dient MathWorks Simscape®.
Der DigitalTwin kann sehr vielseitig eingesetzt werden. Das generierte Modell dient als Basis für zukünftige Konzeptstudien und Entwicklungen. Er kann auf andere Fahrzeugarchitekturen angepasst und neu parametriert werden. Damit ist er ein sehr wertvolles Werkzeug während der Entwicklung und Modellpflege. Während der Entwicklung können Konzepte und unterschiedliche Komponenten besser beurteilt werden. Während der Modellpflege können neue Komponenten oder Sonderfunktionen simuliert werden, bevor Komponenten eingekauft oder integriert werden müssen. Durch die Simulation von realen Einsatzzyklen können elektrische, mechanische und thermische Zusammenhänge (komplexe Systeme) besser interpretiert und optimiert werden. Nicht zuletzt können daraus Entscheidungshilfen für die zu spezifizierende Batteriekapazität, oder der Bedarf einer Schnellladelösung (CCS) gewonnen werden. Gestützt durch Simulationsergebnisse ergibt sich eine signifikante Kosten- und Zeiteinsparung.
Herausforderung bei der Umsetzung und Validierung
Im ersten Schritt müssen die Teilsysteme des Fahrzeugs (Batterie, Fahrantrieb, Nebenantrieb, Ladegerät, etc.) isoliert betrachtet werden. Einige Parameter lassen sich aus den Herstellerangaben herleiten, oft müssen aber auch Annahmen und Vereinfachungen getroffen werden. Um diese Annahmen zu verfestigen und ein genaueres Modell zu erreichen, können die Komponenten in einem weiteren Schritt auf dem Prüfstand oder im Fahrzeug identifiziert werden.
Die Teilsysteme werden im Modell gemäss der gewünschten Systemarchitektur vereint. Dabei sind auch unterschiedliche Varianten möglich, welche später bei der Simulationsauswertung miteinander verglichen werden können. Trotz vieler Annahmen und Vereinfachungen kann im ersten Durchgang bereits ein recht präzises Systemverhalten erreich werden.
Den Fokus haben wir bei der Entwicklung des Basis Modells auf die Simulation des Batteriespeichers, des Antriebsstrangs und des Thermomanagements gelegt. In einer vereinfachten Modellstruktur haben wir aber auch die Nebenantriebe und die Ladetechnik mit abgebildet.
Die grösste Herausforderung stellt die thermische Systembetrachtung dar. Mangels verlässlicher Daten aus den Komponenten-Unterlagen, kann das thermische Verhalten der einzelnen Teilsysteme nur ansatzweise simuliert werden. Für eine genauere Modellbildung müssen unter Rücksprache mit dem Lieferanten genauere Daten beschafft werden, oder die Komponente muss selbst identifiziert werden.
Bei den elektrischen und mechanischen Simulationsergebnissen erreicht man hingegen sehr viel schneller ein präzises Systemverhalten. In den meisten Fällen reichen bereits die Herstellerangaben für eine vollständige Parametrierung.
Bedienung des DigitalTwin und Ablauf einer Simulation
Am Beispiel unseres Basis Modells konnten wir es abschliessend mit Messdaten des realen Fahrzeugs vergleichen. Dies führte zur Erkenntnis, dass die Systemcharakteristik der einzelnen Komponenten und Systeme gut abgebildet wurde. Der aktuelle Stand der Simulation zeigt ein gut annäherndes Abbild des echten Fahrzeugs mit einer Simulationsabweichung von weniger als 10% und kann für weitere Simulationen oder Entwicklungen in diesem Bereich eingesetzt werden.
Simulationsergebnisse des DigitalTwin
Nächste Schritte
Der DigitalTwin wurde bewusst sehr generisch aufgebaut, mit einer Modellarchitektur, die sich rasch auf andere Fahrzeugkonzepte anpassen lässt. Gleichzeitig wurden MATLAB® Skripte entwickelt, die uns dabei unterstützen, Komponentenparameter aus den Herstellerangaben zu extrahieren und in ein für die Simulation korrektes Format zu wandeln.
Langfristig wollen wir uns eine Datenbank mit den wichtigsten Komponenten schaffen, welche wir wiederverwenden können, langfristig optimieren können, und die Genauigkeit steigern können.
Mit dieser Grundlage können wir künftig für unsere Kunden noch genauere und ausführlichere Konzeptstudien erarbeiten und den initialen Aufwand auf ein Minimum begrenzen.
