Neue Planungs-, Konstruktions- und Testverfahren zur Reduzierung von Geräuschen und Vibrationen bei Elektrofahrzeugen
Mit der Markteinführung der ersten EV-Prototypen (electric vehicle) wurde deutlich, dass der Aspekt Geräuschentwicklung bislang weitestgehend vernachlässigt worden war. Im Straßenverkehr zeigte sich beim Prototypen die störende Geräuschbelastung, die sich aus dem Zusammenspiel der einzelnen Komponenten ergab. Eine eingehende Geräusch-, Schwingungs- und Stoßanalyse (noise, vibration and harshness, NVH) zur Bewertung und Optimierung von Elektromotoren in der frühen Entwicklungsphase ist somit unerlässlich. In einem elektrischen Antriebsstrang sind die mechanischen und elektrischen Komponenten über Sensoren und Aktoren mit Steuereinheiten verbunden, die die Einzelkomponenten je nach Aufgabe ansteuern. Für die Entwicklung solcher Elektrofahrzeuge werden Simulations- und Testmethoden benötigt, mit denen die Leistung unter Berücksichtigung der Interaktionen zwischen elektrischen, mechanischen und Steuerkomponenten/Teilsysteme analysiert und optimiert werden kann. Die Konstruktion und Entwicklung jedes Teilsystems erfordert ein immer höheres Integrationsniveau und die Einhaltung vorgegebener Parameter. Abhängig von der Entwicklungsstufe müssen diese Vorgaben und entsprechenden Algorithmen immer genauer angepasst werden. Geräusche und Vibrationen als große Hürde bei der Einführung von Elektromotoren Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts DEMOTEST-EV (Design, modelling and testing tools for electrical vehicles powertrain drives) "sind umfangreichere und genauere Planungs-, Konstruktions- und Testverfahren, um die Entwicklung neuer Konzepte zu optimieren und Geräuschbelastung und Vibration bei Elektroantrieben besser vorhersagen zu können", sagt Projektkoordinatorin Professor Claudia Martis von der Technischen Universität Cluj-Napoca, Rumänien. "Dabei widmeten wir uns zwei Hauptproblemen: NVH-Aspekten bei der Integration des elektrischen Antriebsstrangs sowie neuen Werkzeugen, die auf das hohe Integrationsniveau bei Elektrofahrzeugen abgestimmt sind. DEMOTEST-EV entwickelte und prüfte analytisch gekoppelte elektromagnetisch-vibroakustische Modelle für drei verschiedene Typen von Elektromotoren in Kraftfahrzeugen. Analysiert wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf das magnetische Rauschen der Motoren wie auch der Einfluss von Wicklungen und Rotorentopologie auf solche Geräusche. Schließlich wurden Geräusch- und Vibrationsparameter auf Systemebene geprüft. Konstruktionswerkzeuge und Prüfstände zur Reduzierung von Lärm und Vibration in Elektrofahrzeugen Laut Prof. Martis war das wichtigste Ergebnis von DEMOTEST-EV, dass Nachwuchs- und erfahrene Forscher aus Wissenschaft und Wirtschaft die Möglichkeit bekamen, Fähigkeiten und Kenntnisstand zu erweitern. Forschungskooperationen, personeller Austausch, gemeinsame Nutzung modernster Infrastrukturen, Schulungen und Informationsveranstaltungen förderten Wissensstand, Expertise und Technologietransfer. "Das Auswählen und Variieren der verschiedenen Parameter bei der Entwicklung und Konstruktion wie auch der Einsatz modernster Werkzeuge und Techniken auf jeder Ebene der Analyse lassen sich durch Zusammenarbeit einfacher umsetzen", fügt sie hinzu. Durch gemeinsame Nutzung der Testanlagen konnte vorhandene Technik in größerem Umfang ausgelastet werden, der Zugang zu speziellen Hard- und Softwareinstrumenten und Tools verbessert und Erfahrung im Umgang mit der gemeinsam genutzten Ausrüstung gesammelt werden. Auf diese Weise wurden Wissenstransfer und Expertise bei der Planung, Konstruktion und Prüfung der drei Elektromotoren vorangetrieben. Ein weiteres wichtiges Ergebnis war die Entwicklung einer vernetzten Planungs-, Konstruktions- und Testumgebung. Sie ist direkt oder extern allen Projektpartnern zugänglich, sowohl online als auch offline und auch über das Projekt hinaus. Auch die Prüfstände wurden so konzipiert, dass sie von allen Teammitglieder genutzt werden konnten. Zwei bemerkenswerte Resultate waren auch neue Forschungsrichtungen: zum einen ein mehrstufiger Ansatz für Planung, Konstruktion und Test von Elektrofahrzeugen unter Berücksichtigung unterschiedlichster physikalischer Phänomene, zum anderen modernste Forschungen auf dem Gebiet der Elektroantriebe. "Mit den neuen Antriebskonzepten, wie sie für Elektro- und Hybridfahrzeuge entwickelt werden, treten auch neue Schwingungsphänomene auf, die das NVH-Verhalten und damit die Effizienz des ganzen Antriebssystems beeinträchtigen", erklärt Prof. Martis. DEMOTEST-EV hilft Ingenieuren, solche Phänomene genauer zuzuordnen, damit künftig die Ursachen ungünstiger NVH schneller erkannt und beseitigt werden können. "Mit unserer Hilfe können sie Lärm- und Vibrationswerte von Elektrofahrzeugen besser interpretieren und vorhersagen", schließt sie. Dies dürfte für die Markteinführung von Elektrofahrzeugen in Europa ein wesentlicher Schub sein.
Schlüsselbegriffe
Elektrofahrzeuge, NVH-Analyse, DEMOTEST-EV, Antriebsstrang
