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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.
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
Dr.-ing. hans-Peter kollmeier
Projektgruppenleiter
Telefon +49 7 21 9150-3811
Telefax +49 7 21 9150-38810
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.
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
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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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
www.ict.fraunhofer.de
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