Was ist E-Mobilität und wie entwickeln Ingenieur*innen Elektroautos?

Menschen, Regierungen, Automobilunternehmen und die Allgemeinheit springen auf den Zug auf – was sich in zunehmenden Anreizen wie speziellen Parkplätzen, Steuererleichterungen und Fahrzeugoptionen widerspiegelt.

Aber welche technischen Herausforderungen verhindern, dass Elektroautos sich in Verkehrssystemen durchsetzen?

Was sind die größten Hindernisse für die E-Mobilität?

Die aktuelle Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge kann diese Erwartungen nicht erfüllen, insbesondere in kalten Klimazonen, wo die Leistung geringer ist.

Darüber hinaus sind die meisten E-Autos Luxusgüter. In Anbetracht der Kosten und der Einschränkungen bei längeren Fahrten ist es kein Wunder, dass sie den Markt noch nicht dominieren.

Es ist jedoch noch nicht alles verloren. Ingenieur*innen müssen Lösungen für diese Herausforderungen finden, damit sich Elektroautos durchsetzen können.

"Der Mehrheit der Verbraucher*innen ist es egal, welchen Kraftstoff ein Auto benötigt", prognostiziert Sovani. "Sie betanken es mit dem Kraftstoff, den es braucht, um die erwartete Reichweite und Aufladung zu erreichen. Sobald Ingenieur*innen E-Lösungen entwickeln, die diese Erwartungen erfüllen, werden Benzin und Diesel schrittweise verschwinden."

Wird die Popularität der E-Mobilität zunehmen?

Elektroautos haben im Laufe der Geschichte schon einige Male das Interesse der Öffentlichkeit geweckt. Trotz der Einführung eines modernen Konzepts in den 90er Jahren und der Ankündigung des E-Sportwagens von Tesla im Jahr 2006 konnten sie sich am Markt jedoch noch nicht durchsetzen. Gegenwärtig sind sie eine Nischenoption, die so beliebt ist, dass große Publikationen wie U.S. News & World Report es für angebracht halten, eine Rangliste der besten verfügbaren Modelle zu erstellen.

Der elektrische Volkswagen ID. R bricht weltweit Geschwindigkeitsrekorde
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Elektroautos haben jedoch in großem Stil Einzug in die Rennwelt gehalten. Der elektrische Volkswagen ID. R hat kürzlich Rekorde am Pikes Peak und auf der Nordschleife des Nürburgrings gebrochen. Sovani weist darauf hin, dass das batteriebetriebene Fahrzeug auf diesen Strecken einige Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren hat.

Erstens benötigt ein elektrischer Antriebsstrang keinen Sauerstoff für den Betrieb. So kann er auch in der großen Höhe des Pikes Peak seine hohe Leistungsfähigkeit beibehalten. Zweitens musste die Batterie nur 8 Minuten lang laufen, um den Kurs zu absolvieren. Die Ingenieur*innen konnten also eine leichtere Batterie verwenden, die an den Grenzen ihrer thermischen und energetischen Kapazität lief.

"Pikes Peak war ein großer Sieg für die E-Mobilität. Der bisherige Rekord wurde um fast eine Minute übertroffen. Eine unglaubliche Leistung, wenn man bedenkt, dass Teams normalerweise Mühe haben, diese Rekorde um ein paar Sekunden zu verbessern. Es ist faszinierend", erzählt Sovani. "Dies erhöht das Profil von Elektrofahrzeugen in der Öffentlichkeit. Es gibt nicht den einen Grund, warum die Leute Elektroautos kaufen, aber ich denke, dass dies eines der Dinge sein wird, an die sie denken, wenn sie es tun."

Marco Oswald, Technical Account Manager für Continental bei Ansys, sagt: "Motorsport ist ein extremes Beispiel für einen elektrischen Antriebsstrang. Erstausrüster (OEMs) und Tier-1-Zulieferer arbeiten an einer Technologie für den Massenmarkt, die eine Brücke zwischen Verbrennungsmotoren und E-Autos schafft. Systemsimulationen können dazu beitragen, diese Fahrzeuge hinsichtlich Kosten, Leistung und Effizienz zu optimieren."

So wird ein elektrischer Antriebsstrang entwickelt

Durch die Modellierung des Systems ihres Rennwagens und dessen Reaktion auf die Strecke konnte Volkswagen Motorsports sein Elektroauto für den Pikes Peak optimieren, ohne das Gewicht der Batterie zu sehr zu erhöhen.

Die Konstruktionskriterien für Elektrofahrzeuge auf Rennstrecken sind jedoch nicht dieselben wie die für öffentliche Straßen. So müssen Batterien für Endverbraucher*innen eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren haben sowie Hunderte von Kilometern pro Ladung und Hunderttausende von Kilometern pro Lebenszyklus zurücklegen. Weit entfernt von den 8 Minuten am Pikes Peak.

Aber auch mit anderen Zielen kann die Systemsimulation bei der Entwicklung von Nutzfahrzeugen eingesetzt werden. Statt die Systeme für eine 8-minütige Rennstrecke zu optimieren, können die Ingenieur*innen das Fahrzeug für den Betriebszyklus während seiner Lebensdauer anpassen.

Um Einblicke in den Arbeitszyklus eines Fahrzeugs zu erhalten, müssen die Ingenieur*innen digitale Zwillinge einsetzen. Wolfram Schloter, Enterprise Account Manager für Continental bei Ansys, erläutert: "Von der Systemsimulation zum Twin Building ist es nur ein Schritt. Hier können Sie beobachten, wie sich ein System verhält, und es mit dem Einsatz in der realen Welt vergleichen."

Mithilfe des digitalen Zwillings können Ingenieur*innen Informationen zur Leistung und Belastung eines Fahrzeugs sammeln. Dann können sie diese Daten in Systemsimulationen einfließen lassen, um weitere Erkenntnisse zu gewinnen – von Wartungszyklen bis hin zu weiteren Verbesserungen der Konstruktion.

Der nächste Schritt für die E-Mobilität

Trotz des Potenzials der Systemsimulation tun sich einige Unternehmen schwer, mit dieser neuen Designphilosophie Schritt zu halten.

Und er fügt hinzu: "Viele bleiben einfach weiter beim Alten. Wenn sie so weitermachen, werden sie nicht wettbewerbsfähig bleiben. Ihre Markteinführungszeit wird sich verlängern, während die Konkurrenz schneller wird. Und diese Wettbewerber werden auch in der Lage sein, jedes System ihres Produkts unter verschiedenen Bedingungen zu optimieren. Das ist nicht möglich, wenn man jedes Teil einzeln optimiert. Durch die Integration der Systemsimulation in den Entwicklungszyklus können Unternehmen Iterationsschleifen reduzieren und so Zeit und Geld sparen."

Schloter stimmt dem zu: "Sobald Ingenieur*innen zum ersten Mal sehen, was der Einsatz von Systemsimulationen bewirken kann, sind sie überzeugt. Unternehmen setzen sie hauptsächlich ein, um ihrer Konkurrenz voraus zu sein."

Sehen Sie sich das Webinar an, um zu erfahren, wie Sie Batteriesysteme für E-Mobilität simulieren können: VW Motorsport präsentiert: Batteriesimulation – eine wesentliche Technologie für den ID. R auf dem Nürburgring und den Rekord auf dem Pikes Peak.