Ermittlung nutzbarer Bauräume für Energiespeicher auf Hochvoltebene in Elektrofahrzeugen mit dezentralisierten Antriebssträngen

Abstract

Die Elektromobilität hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen und ist mittlerweile ein elementarer Bestandteil in der Automobilindustrie. Die Chancen, die sich aus der Elektrifizierung des Antriebes von Fahrzeugen ergeben, sind unter anderem die Reduktion von Emissionen und die steigende Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Dazu verabschiedete die Bundesregierung im Jahr 2009 den Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität, um die Entwicklung von Elektrofahrzeugen voranzubringen und diese Chancen zu nutzen. Ein wichtiger Baustein des elektrifizierten Antriebes der Fahrzeuge sind leistungsfähige Energiespeicher auf Hochvoltebene. Dazu gehört die technologische Weiterentwicklung der Batteriezellen aber auch die optimale Integration des Energiespeichers in das Fahrzeug, um den vorhandenen Bauraum möglichst effizient nutzen zu können. Um die Batterien bestmöglich im Fahrzeug anzuordnen, ist die Analyse des potentiellen Bauraumes bereits in den frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses nötig. Dies kann durch Digital Mock-Ups (DMU) realisiert werden und ist Gegenstand dieses Beitrages. Es wird ein Grobkonzeptmodell batterieelektrischer Fahrzeuge zur Personenbeförderung vorgestellt, das universell auf unterschiedliche Fahrzeugklassen anwendbar ist und dessen Fokus auf dem nutzbaren Bauraum des Energiespeichers auf Hochvoltebene liegt. Hierbei werden innovative dezentrale Antriebskonzepte berücksichtigt. Zu diesen Konzepten gehören Antriebe mit sowohl Radnabenmotoren als auch radnahen und radfernen Elektromotoren, die die jeweiligen Räder separat antreiben. Ziel dieses Modelles ist es, effizient Fahrzeugkonfigurationen zu erstellen, die anschließend hinsichtlich ihrer Batteriebauräume untersucht werden können. Es dient somit als Grundlage für eine Packageoptimierung der Batteriezellen innerhalb der erzeugten Batteriebauräume, sodass die Potentiale der Fahrzeugkonfigurationen hinsichtlich der gestellten Anforderungen an das Fahrzeug frühzeitig abgeschätzt werden können. Aus dem Vergleich unterschiedlicher Fahrzeug-konfigurationen mit jeweils optimierten Packages sollen in Zukunft bestmögliche Fahrzeug-konfigurationen mit dezentralisierten Antriebssträngen identifiziert werden. Schlüsselwörter: Elektromobilität, Produktentwicklung, Hochvolt, Energiespeicher, Traktionsbatterie, Fahrzeuggrobgestaltung, Digital Mock-Up (DMU), Purpose Design, Bauraumanalyse, dezentralisierter Antriebsstrang, Radnabenantrieb 1. Einleitung Die Elektromobilität hält bereits seit einigen Jahren Einzug in die Automobilindustrie und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Angetrieben von den Zielen, die Emissionen der Fahrzeuge und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu minimieren, gibt es große Bestrebungen, diese Entwicklung weiterhin sicherzustellen. So ist die Elektromobilität ein wichtiger Bestandteil des integrierten Energie-und Klimaprogramms der Bundesregie-rung [1, 2]. Eine wesentliche Komponente für den Erfolg der Elektromobilität ist die Entwicklung effizienter Batteriesysteme, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Fahrzeugreichweite sowie auf das Fahrzeuggewicht und-volumen haben. Die Weiterentwicklung der Batteriezellen selbst, aber auch die bestmögliche Integration der Batteriezellen in das Fahrzeug ist für ein leistungsfähiges Batteriesystem essentiell.

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13. Magdeburger Maschinenbau-Tage 27.09. - 28.09.2017
Ermittlung nutzbarer Bauräume für Energiespeicher auf Hochvoltebene in
Elektrofahrzeugen mit dezentralisierten Antriebssträngen
M.Sc. Tobias Stefaniak 1), B.Sc. Daniel Maiwald 1)
1) Institut für Maschinenkonstruktion – Lehrstuhl für Konstruktionstechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg,
Deutschland, tobias.stefaniak@ovgu.de , daniel.maiwald@ovgu.de , 0391/6757008
Abstract
Die Elektromobilität hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen und ist mittlerweile ein
elementarer Bestandteil in der Automobilindustrie. Die Chancen, die sich aus der Elektrifizierung des Antriebes
von Fahrzeugen ergeben, sind unter anderem die Reduktion von Emissionen und die steigende Unabhängigkeit
von fossilen Brennstoffen. Dazu verabschiedete die Bundesregierung im Jahr 2009 den Nationalen
Entwicklungsplan Elektromobilität, um die Entwicklung von Elektrofahrzeugen voranzubringen und diese
Chancen zu nutzen.
Ein wichtiger Baustein des elektrifizierten Antriebes der Fahrzeuge sind leistungsfähige Energiespeicher auf
Hochvoltebene. Dazu gehört die technologische Weiterentwicklung der Batteriezellen aber auch die optimale
Integration des Energiespeichers in das Fahrzeug, um den vorhandenen Bauraum möglichst effizient nutzen zu
können. Um die Batterien bestmöglich im Fahrzeug anzuordnen, ist die Analyse des potentiellen Bauraumes
bereits in den frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses nötig. Dies kann durch Digital Mock-Ups
(DMU) realisiert werden und ist Gegenstand dieses Beitrages.
Es wird ein Grobkonzeptmodell batterieelektrischer Fahrzeuge zur Personenbeförderung vorgestellt, das
universell auf unterschiedliche Fahrzeugklassen anwendbar ist und dessen Fokus auf dem nutzbaren Bauraum
des Energiespeichers auf Hochvoltebene liegt. Hierbei werden innovative dezentrale Antriebskonzepte
berücksichtigt. Zu diesen Konzepten gehören Antriebe mit sowohl Radnabenmotoren als auch radnahen und
radfernen Elektromotoren, die die jeweiligen Räder separat antreiben. Ziel dieses Modelles ist es, effizient
Fahrzeugkonfigurationen zu erstellen, die anschließend hinsichtlich ihrer Batteriebauräume untersucht werden
können. Es dient somit als Grundlage für eine Packageoptimierung der Batteriezellen innerhalb der erzeugten
Batteriebauräume, sodass die Potentiale der Fahrzeugkonfigurationen hinsichtlich der gestellten Anforderungen
an das Fahrzeug frühzeitig abgeschätzt werden können. Aus dem Vergleich unterschiedlicher Fahrzeug-
konfigurationen mit jeweils optimierten Packages sollen in Zukunft bestmögliche Fahrzeug-konfigurationen mit
dezentralisierten Antriebssträngen identifiziert werden.
Schlüsselwörter: Elektromobilität, Produktentwicklung, Hochvolt, Energiespeicher, Traktionsbatterie,
Fahrzeuggrobgestaltung, Digital Mock-Up (DMU), Purpose Design, Bauraumanalyse, dezentralisierter
Antriebsstrang, Radnabenantrieb
1. Einleitung
Die Elektromobilität hält bereits seit einigen Jahren Einzug in die Automobilindustrie und gewinnt zunehmend
an Bedeutung. Angetrieben von den Zielen, die Emissionen der Fahrzeuge und die Abhängigkeit von fossilen
Brennstoffen zu minimieren, gibt es große Bestrebungen, diese Entwicklung weiterhin sicherzustellen. So ist die
Elektromobilität ein wichtiger Bestandteil des integrierten Energie- und Klimaprogramms der Bundesregie-
rung [1, 2].
Eine wesentliche Komponente für den Erfolg der Elektromobilität ist die Entwicklung effizienter
Batteriesysteme, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Fahrzeugreichweite sowie auf das Fahrzeuggewicht
und -volumen haben. Die Weiterentwicklung der Batteriezellen selbst, aber auch die bestmögliche Integration
der Batteriezellen in das Fahrzeug ist für ein leistungsfähiges Batteriesystem essentiell.

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In dem vorliegenden Beitrag soll ein Modell in Form eines Digital Mock-Up (DMU) vorgestellt werden, das den
Prozess zur räumlichen Anordnung des Packages von Batteriesystemen in Fahrzeugen mit einem elektrifizierten
Antriebsstrang unterstützen soll. Ein DMU ist ein digitales Versuchsmodell, das den Aufbau eines physischen
Versuchsmodells, welches im Vergleich kosten- und zeitintensiv ist, in den frühen Phasen des Produkt-
entwicklungsprozesses ersetzt. Die virtuelle Erprobung des DMUs mittels Berechnungs- und Simulations-
software lässt valide Aussagen über das Produkt zu, sodass der Einsatz eines physischen Versuchsmodells erst
wesentlich später nötig ist. Gleichzeitig können durch die einfache Anpassbarkeit und Erweiterbarkeit des
DMUs Iterationszyklen zwischen den Entwicklungsständen des Produktes verkürzt werden [3, 4]. Die
Zeitersparnis im Produktentwicklungsprozess durch das DMU ist in Abbildung 1 veranschaulicht.
Abbildung 1:Reduzierung der Entwicklungszeiten durch DMU [3]
Es ist Erkennbar, dass durch die kürzeren Iterationszyklen des DMUs der Wissenszuwachs erhöht wird, wodurch
sich die Entwicklungszeit insgesamt verkürzt. Der höhere Wissenszuwachs ist damit begründet, dass die
Weiterentwicklung und Änderung des Produktes virtuell schneller umgesetzt und bewertet werden kann. Das in
dem Beitrag vorgestellte DMU soll diese Vorteile für die Entwicklung eines Elektrofahrzeugs ausnutzen. Bei der
Entwicklung des DMUs sollen die gängigen Gestaltungsansätze für Elektrofahrzeuge sowie innovative
dezentrale Antriebskonzepte berücksichtigt und im Folgenden erläutert werden.
Für Elektrofahrzeuge existieren aktuell zwei wesentliche Gestaltungsansätze: Das Conversion Design und das
Purpose Design. Das Conversion Design ist eine Anpassungskonstruktion, bei dem Fahrzeuge, die primär für
einen Verbrennungsmotor als Antrieb vorgesehen sind, mit einem elektrifizierten Antriebsstrang ausgestattet
werden. Dieses Vorgehen bietet den Automobilherstellern gerade in dem aktuell stattfindenden Umbruch vom
konventionellen Antrieb hin zum elektrifizierten Antrieb Vorteile hinsichtlich der Produkterstellungskosten. Das
Gesamtprodukt liegt zum größten Teil bereits vollentwickelt vor und die Produktionslinien dafür sind bereits
vorhanden. Dadurch werden allerdings Potentiale, die durch den Einsatz eines elektrifizierten Antriebs entstehen,
nicht vollständig ausgeschöpft. Neuartige Antriebskonzepte, Packagevorteile oder neue Ergonomie- und
Bedienkonzepte können nur begrenzt umgesetzt werden. Beim Vorgehen nach dem Purpose Design kann das
Fahrzeug nach den Ansprüchen und Möglichkeiten des elektrifizierten Antriebsstranges von Grund auf
abgestimmt werden [5]. Das DMU soll sowohl Elektrofahrzeuge nach dem Conversion Design als auch nach
dem Purpose Design abbilden können, wobei Letzteres als der langfristig erfolgreichere Ansatz erachtet wird [6].
Bei der Entwicklung des DMUs sollen neue, innovative Antriebskonzepte berücksichtigt werden. Das Konzept
der Dezentralisierung des Antriebsstranges ist besonders erfolgsversprechend, das sich in erster Linie durch
separat angetriebene Räder auszeichnet. Dazu zählt unter anderem der Antrieb durch Radnaben-, oder radnahe
Motoren. Diese Antriebe bieten hohe Potentiale hinsichtlich des Wirkungsgrades, da beispielweise auf
Differentialgetriebe oder Kardanwellen verzichtet werden kann. Gleichzeitig können fahrdynamische Systeme,
wie das Elektronische Stabilitätsprogramm oder das Antiblockiersystem direkt durch den Antrieb unterstützt
werden. Weiterhin bieten dezentrale Antriebe große Vorteile in der Raumnutzung des Fahrzeugs. Durch den
großen zentralen Antriebsmotor mit seinem Antriebsstrang, der meist mit einem Mitteltunnel einhergeht, ist der
Innenraum wesentlich beschränkt. Mit kleineren, dezentralen Antriebsmotoren hingegen, wird die Gestaltungs-
freiheit des Fahrzeuginnenraumes deutlich gesteigert [5].

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Bisher befinden sich diese Antriebsarten noch überwiegend in der Konzeptphase, da Problemstellungen aufgrund
einer höheren Exposition der Motoren für Umwelteinflüsse und größerer, ungefederter Massen an den Rädern
gelöst werden müssen [4, 6]. Die Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg untersucht im Rahmen des Projekts
„Competence in Mobility“ diese Problematik und entwickelt diese neuen Antriebskonzepte weiter und lotet
deren Potentiale aus. Das DMU soll dazu beitragen, die durch die Dezentralisierung entstehenden Bauräume zu
analysieren und zu bewerten.
2. Grundlagen zur Generierung des Digital Mock-Ups
Das DMU ist in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses einzugliedern. Die Ansprüche an die Modelle
hinsichtlich der Aussagefähigkeit in diesem Entwicklungsstadium sind in den letzten Jahren enorm gestiegen, da
spätere Konzeptänderungen meist mit einem hohen technischen Risiko und finanziellem Mehraufwand
verbunden sind [7]. Gleichzeitig werden in dieser Phase bereits ein Großteil der Produktentstehungskosten
festgelegt [8]. Es soll dabei helfen, die Aussagefähigkeit zum Package eines Fahrzeuges mit elektrifiziertem und
dezentralisiertem Antriebsstrang zu verbessern. Durch das digitale Fahrzeugmodell sollen Variationen schnell
und mit verhältnismäßig geringem Aufwand erstellt werden, sodass frühzeitig Potentiale abgeschätzt und
Konzepte abgesichert werden können.
Wesentliche Herausforderungen bei der Entwicklung des DMUs bestehen zunächst darin, gängige Fahrzeug-
konzepte in dem Abstraktionsgrad eines Grobkonzeptmodells universell abbilden zu können. Gleichzeitig sollen
dabei die dezentralen Antriebskonzepte integriert und aus dem so definierten Packagemodell anschließend
potentielle Batteriebauräume abgeleitet werden. Die Erstellung und Visualisierung des DMUs soll mit der CAD-
Software CATIA-V5 in Verbindung mit dem Tabellenkalkulationsprogramm Microsoft Excel, das zur Steuerung
des DMUs dienen soll, erfolgen. Abbildung 2 werden diese Einflussgrößen, Anforderungen sowie Ziel des
DMUs skizziert, die im Folgenden erläutert werden.
Abbildung 2: DMU – Einflussgrößen, Anforderungen und Ziele
Das DMU soll assoziativ und konsistent über Eingabeparameter gesteuert werden. Die Komplexität des
Grobkonzeptmodells sollte dabei so gering wie möglich gehalten werden, um eine schnelle Erstellung und
effizienten Vergleich der Modellvarianten zu ermöglichen, weshalb es sich auf wenige Parameter beschränken
muss. Für die abzubildenden Personenkraftwagen der Klasse M1 sind bereits einige wesentliche Eigenschaften
festgelegt. So sind sie zur Personenbeförderung ausgelegt, besitzen mindestens vier Räder, höchstens acht
Sitzplätze außer dem Fahrersitz und Weisen in Länge, Höhe und Breite definierte Höchstabmessungen auf [9,
10].
Zu diesen Personenkraftwagen existiert in der Automobilindustrie ein Maßkonzept, welches hersteller-
übergreifend die wesentlichen charakteristischen Maße eines Personenkraftwagens beschreibt [11].
Über das Maßkonzept können die gängigen Personenkraftwagen mit vier Rädern und einer oder zwei Sitzreihen
in einem geometrischen Packagemodell abgebildet werden. Es bildet somit die Grundlage für die
Fahrzeuggesamtgeometrie innerhalb des DMUs. In Abbildung 3 sind wesentliche Parameter nach dem
Maßkonzept dargestellt, die zur Modellierung der batteriebauraumbegrenzenden Geometrien im DMU
verwendet werden sollen.
Packagemodell mit relevanten
Grenzflächen (Grobkonzept)
Maßkonzept für
Kraftfahrzeuge
dezentrale
Antriebskonzepte
Ableitung relevanter
Batteriebauräume

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Abbildung 3: Universelles Maßkonzept, nach [11] (Parameterbeschreibung vgl. Abbildung 6)
Das Maßkonzept enthält beispielsweise die Fahrzeuggesamtlänge (L103), die Fahrzeuggesamtbreite (W103),
oder die Überhänge vorne (L104) und hinten (L105). Weiterhin werden einige Maße am Hüftbeuger der
Fahrzeuginsassen referenziert. Das betrifft unter anderem die Sitzhöhe (H5), Beinfreiheit in horizontaler
Richtung der vorderen Sitzreihe (L53) bzw. hinteren Sitzreihe (L50). Hierdurch lässt sich die Ergonomie der
Fahrzeuginsassen berücksichtigen. In Kapitel 3 werden die Parameter vollständig beschrieben.
Das dezentrale Antriebskonzept wird im DMU durch zwei wesentliche Antriebsvarianten realisiert. Zum einen
durch den Radnabenantrieb und zum anderen durch den Hinterradantrieb durch zwei Elektromotoren, die die
beiden Hinterräder separat antreiben. Aus diesen beiden Varianten ergeben sich verschiedene Konfigurationen,
die im DMU auswählbar sein sollen (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4: Dezentrale Antriebskonzepte
Für den Radnabenantrieb ergeben sich drei Konfigurationen: Der Vorderradantrieb, der Hinterradantrieb und der
Allradantrieb. Für den Hinterradantrieb mit separaten Elektromotoren ergeben sich vier Konfigurationen: Der
radnahe Antrieb und der radferne Antrieb, bei dem die Elektromotoren miteinander verbunden sind, die mit oder
ohne axial angeordneten Getrieben konfiguriert werden können.
Der Antrieb der Vorderachse mittels radnahen Elektromotoren, bzw. starr verbundenen Elektromotoren wird bei
der Entwicklung des Modells vernachlässigt. Im Allgemeinen wird über die Vorderachse bei Kraftfahrzeugen
die Lenkung realisiert. Die Integration dieser Antriebskonzepte würde einen deutlich größeren Bauraum
aufgrund der Einlenkung der Vorderräder erfordern, wenn die Elektromotoren axial angeordnet werden müssen.
Dieser Antrieb wird deshalb im vorliegenden Modell nicht berücksichtigt, wobei eine spätere Integration dieses
Antriebes dennoch analog zum Hinterradantrieb möglich ist. Zur Integration der Antriebskonzepte wird sich im
DMU auf die wesentlichen Komponenten E-Maschine, sowie einem optionalen Getriebe beschränkt. Die
Komponenten sollen mit möglichst einfachen Geometrien umgesetzt werden und mit wenigen Parametern
steuerbar sein. So werden sie als einfache Zylinder dargestellt, die durch deren Tiefe und Durchmesser festgelegt
werden. Durch diese Einflussgrößen wird ein DMU erzeugt, in dem wesentliche Grenzflächen definiert sind, die
L104 L105
L103
L114 L50
L53
H156
H30 H5
H114 H253
W103
W101 W102
Allrad Heck
Radnabenantrieb
Radnaher
Hinterradantrieb
Starrachsen-
hinterradantrieb
ohne Getriebe
ohne Getriebe mit Getriebe
mit Getriebe
Front

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den Batteriebauraum im unteren Bereich des Fahrzeuges einschließen. Zur Ableitung des Batteriebauraumes
müssen weiterhin Abstände zu diesen Grenzflächen definiert werden, beispielsweise um notwendige Fahrzeug-
strukturen, wie Komponenten der Karosserie, oder sicherheitsrelevante Bereiche, im Falle eines Crashs,
berücksichtigen zu können.
Zur Optimierung des Packages der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges existieren bereits Modelle und
Prozesse, von denen einige vorgestellt werden. In der Arbeit von Kuchenbuch wird ein eigenschaftsorientiertes
Konzeptmodell entwickelt, das wesentliche Eigenschaften eines Elektrofahrzeuges, wie die Fahrleistung, den
Verbrauch, die Achslastverteilung, die Verschaltung der Batteriezellen oder die Ergonomie der Insassen unter
Einbeziehung des Maßkonzeptes berücksichtigt [12]. Das Modell bietet eine umfassende Betrachtung des
Gesamtfahrzeugkonzeptes, die mit einem Prozess zur Optimierung des Packages verknüpft ist. Das DMU soll
ebenfalls in einen Optimierungsprozess für das Package der Traktionsbatterie integrierbar sein. Neben der
visuellen Darstellung mit wesentlichen Maßen der Konzeptvarianten werden ebenfalls Angaben zur
Traktionsbatterie, wie Zellanzahl, Energiegehalt, Kapazität und Spannungslage sowie zum Gesamtenergie-
verbrauch und Reichweite des Fahrzeugs gemacht. Es findet eine Nutzung des Boden- und Tunnelbereiches und
des Bereiches hinter der Rückenlehne der zweiten Sitzreihe statt. Die Nutzung des Bodenbereiches nach dem
Sandwichkonzept bietet sich bei dem dezentralen Antrieb an, weshalb die Bauräume auch im hier vorgestellten
DMU genutzt werden sollen. Ried stellt in [13] Untersuchungen zum Package der Traktionsbatterie in Plug-In
Hybridfahrzeugen an. Als potentielle Bauräume im PHEV werden hier der Tunnel- und Treibstofftankbereich
des Fahrzeugs identifiziert. Das DMU soll jedoch auch die Möglichkeit bieten weitere Bauräume im Front- und
Heckbereich sowie im gesamten Bodenbereich nutzen zu können.
Die Modelle und Prozesse stellen für die Entwicklung des DMUs eine wichtige Grundlage dar. Eine explizite
Berücksichtigung einer Auslegung der Traktionsbatterie in Verbindung mit dem dezentralen Antriebsstrang
findet jedoch nicht statt. Ausgehend von den vorgestellten bestehenden Modellen wird deshalb ein
Konzeptmodell zum Batteriebauraum entwickelt, das diese Dezentralisierung des elektrifizierten Antriebs-
stranges berücksichtigt. Dabei soll insbesondere die Modularität der Batteriebauräume berücksichtigt werden.
3. Aufbau des Digital Mock-Ups
Das DMU besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten: Das Gesamtfahrzeug, der dezentrale Antrieb, der
potentielle Batteriebauraum und die auswählbaren Batteriebauraummodule (effektiv nutzbare Bauräume), die zur
Anordnung von Batteriezellen genutzt werden. Sämtliche Komponenten sind durch Parameter steuerbar, deren
Werte vom Anwender in einem Excel Dokument eingegeben werden. Die anschließende Erzeugung des
visuellen Modells erfolgt automatisiert in CATIA-V5. Zum Parameterübergabe vom Excel Dokument nach
CATIA–V5 wird das Feature „Konstruktionstabelle“ von CATIA-V5 genutzt. Die Generierung einer
Modellvariante aus dem DMU, um die nutzbaren Batteriebauräume eines Fahrzeugkonzeptes zu erhalten, erfolgt
iterativ. In Abbildung 5 wird der iterative Prozess zur Erzeugung des DMUs dargestellt. Im Folgenden wird der
Aufbau der jeweiligen Komponenten zur Generierung des effektiv nutzbaren Batteriebauraumes durch eine
fortlaufende Nummerierung erläutert.
Abbildung 5: DMU und Ablauf zur Ableitung des effektiv nutzbaren Batteriebauraumes
1) Basisgeometrie
und Fahrzeugklasse
3) Ableitung des
potentiellen Bauraumes 4) Ableitung des
effektiv nutzbaren
Batteriebauraumes
2) Integration
des Antriebes

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Basisgeometrie und Fahrzeugklasse (1)
Zur Erstellung des DMUs kann zum größten Teil auf die Maße des Maßkonzeptmodells zurückgegriffen werden.
Wesentliche Komponenten, die vom Maßkonzept abhängen, sind der Unterboden, die Karosserie- und die
Innenraumflächen. Weiterhin begrenzen die Räder und Radkästen den Bauraum. Diese Komponenten werden im
Folgenden näher erläutert.
Abbildung 6: Aufbau der Basisgeometrie des Gesamtfahrzeugs im DMU
In Abbildung 6 ist die Basisgeometrie des DMUs, bestehend aus dem Unterboden, aus Flächen des Innenraums
und der Karosserie, sowie Rädern und Radkästen, dargestellt. Der Unterboden wird durch die Fahrzeugbreite
(W103), der Fahrzeuglänge (L103) und der Bodenfreiheit (H156) definiert. Die Fahrzeuggesamtlänge setzt sich
aus dem Überhang vorne und hinten sowie dem Radstand zusammen und wird im Modell als abhängiger
Parameter definiert. Die Räder sind durch den Durchmesser und der Breite der Vorder- und Hinterräder definiert.
Die Positionen der Räder ist durch die Spurbreite der Vorderachse (W101) und Hinterachse (W102), dem
Radstand (L101) und den Überhängen vorne (L104) und hinten (L105) festgelegt. Die Maße der Radkästen sind
durch radiale und axiale Offsets zu den Rädern definiert. Die axialen Offsets sind für die Radkästen der Vorder-
und Hinterachse jeweils separat auswählbar, um den zusätzlichen Platzbedarf der lenkenden Räder
berücksichtigen zu können. Die Maße der Begrenzungsflächen des Innenraumes beziehen sich auf den
ergonomischen Referenzpunkt (R-Punkt), der in der Seitenansicht im Hüftgelenk der Insassen der ersten
Sitzreihe liegt. Über diesen Punkt werden Sitzhöhe (H5), Beinfreiheit horizontal (L53) und vertikal (H30) sowie
Sitzabstand zur Vorderachse (L114) der vorderen Sitzreihe definiert. Über den Abstand der Sitzreihen (L50)
kann die Beinfreiheit der zweiten Sitzreihe in horizontaler Richtung vorgegeben werden. Die
Begrenzungsflächen der Karossiere sind im Frontbereich von der Höhe des Windlaufpunktes (H114) und im
Heckbereich von der Höhe des Kofferraumbodens (H253) abhängig. Die Schrägen im Front- und Heckbereich
sind durch Winkelmaße steuerbar. Der Basisaufbau wird bei jeder erzeugten Ausprägung des DMUs genutzt.
Weitere Komponenten, wie der Fahrzeugantrieb oder die Ableitung der Batteriebauräume, die im Folgenden
erläutert werden, werden darauf aufbauend erzeugt.
Dezentraler Antrieb (2)
Die im DMU berücksichtigten Antriebstopologien sind in Abbildung 4 bereits dargelegt und erläutert. Die
E-Maschinen bzw. die optional zuschaltbaren Getriebe werden im DMU jeweils als Zylinder definiert, deren
Mittelachse auf der jeweiligen Antriebsachse liegt. Die axialen Positionen sind parametrisch definiert. Ebenso
werden die Radnabenmotoren im DMU abgebildet und geometrisch durch deren Durchmesser und Tiefe
definiert. Deren Einfluss auf den Batteriebauraum wird nicht berücksichtigt, da sie in den Rädern des Fahrzeuges
verbaut sind. Die Komponentengeometrie sowie deren Positionierung im DMU werden in Abbildung 7
veranschaulicht.
Abkürzung
Beschreibung
L50 Sitzabstand
L53 R-Punkt bis Fersenpunkt
L101 Radstand
L103 Fahrzeuglänge
L104 Überhanglänge vorn
L105 Überhanglänge hinten
L114 Vorderachse bis R-Punkt
H5 R-Punkt bis Standebene
H30 R-Punkt bis Fersenebene
H114
Windlaufpunkt bis Standebene
H156 Bodenfreiheit
H253 Gepäckraumboden bis
Standebene
W101 Spurweite vorn
W102 Spurweite hinten
W103 Fahrzeugbreite
L104 L105
L103
L114
L50
L53
H156
H30
H5
H114
H253
L101
W103
W101
W102
Rad-∅
Radbreite (front)
axiale Radfreiheit (front)
radiale Radfreiheit

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Abbildung 7:Antriebskonfigurationen im DMU (links: E-Maschine, rechts: Radnabenmotor)
Potentieller Batteriebauraum (3)
Aus dem zuvor beschriebenen Basisaufbau und der Antriebskonfiguration des DMUs ergeben sich die
Grenzflächen, von denen der Batteriebauraum abgeleitet wird. Der potentielle Bauraum, in dem die
Traktionsbatterie angeordnet werden kann, wird weiterhin durch Abstände zu diesen Grenzflächen zum Inneren
des Modells abgeleitet. In Abbildung 8 ist der potentielle Batteriebauraum innerhalb der Grenzflächen des
DMUs und dessen Abstände zu den Grenzflächen dargestellt. Die eingezeichneten Pfeile repräsentieren separat
einstellbare Abstände.
Abbildung 8: Potentieller Batteriebauraum im DMU
Durch die Abstände können beispielsweise karosseriebedingte Einschränkungen aufgrund von Schwellern oder
Säulen sowie durch die Radkästen berücksichtigt werden. Weiterhin lassen sich dadurch auch Crashzonen, in
denen die Traktionsbatterie nicht angeordnet werden sollte, definieren. Durch die Definition der geometrischen
Parameter lässt sich die Sicherheit der Fahrzeugpackages beeinflussen. Sie können durch Abstände zu Front-,
Heck- und Seitenflächen berücksichtigt werden. Zu den Radkästen ist ein axialer und radialer Abstand
einstellbar. Der R-Punkt liegt im Hüftbeuger der Fahrzeuginsassen der jeweiligen Sitzreihe. Da die Fläche der
Rücklehne durch den R-Punkt der Insassen der zweiten Sitzreihe verläuft, muss hier neben der Karosserie auch
die Sitzdicke und der Fahrzeuginsasse bei der Definition des Abstandes der hinteren Schräge der
Innenraumflächen berücksichtigt werden. Die radnahen bzw. radfernen Elektromotoren sind mit den Rädern
direkt verbunden. Aufgrund möglicher Schwingungen um die Ruhelage des Motors werden hier Offsets über und
seitlich von den Motoren vorgesehen. Der seitliche Abstand zum Elektromotor ist dabei halb so groß wie der
mit Getriebe
ohne Getriebe
Fahrtrichtung
EM
G
Tiefe
Durchmesser
Axialer Offset
EM
G
Durchmesser
Tiefe
Fahrtrichtung

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Offset über den Elektromotoren, da vertikale Auslenkungen der Motoren größer als horizontale Auslenkungen
angenommen werden.
Effektiv nutzbarer Batteriebauraum (4)
Im nächsten Schritt wird der potentielle Bauraum für eine konkrete Integration der Traktionsbatterie aufbereitet.
Diese Aufbereitung umfasst eine Vereinfachung und Aufteilung des Bauraumes in Quader, die entsprechend der
Möglichkeiten zur Anordnung von Traktionsbatterien in Fahrzeugen angewählt und kombiniert werden können.
Quader besitzen eine verhältnismäßig einfache Topologie und eignen sich deshalb gut für den Modularen
Einsatz und für die Skalierung der Bauräume. Die Einbaupositionen sind im Modell separat anwählbar und
miteinander kombinierbar. In Abbildung 9 sind diese separat auswählbaren Bauraummodule innerhalb des
potentiellen Batteriebauraumes dargestellt.
Abbildung 9: Auswählbare Bauraummodule im potentiell nutzbaren Batteriebauraum
Wesentliche Bauräume bestehen zum einen im Boden des Fahrzeuges, die sich in die Sektionen zwischen den
Achsen, vor der Vorderachse und hinter der Hinterachse aufteilen (3). Weiterhin sind Bauräume auswählbar, die
im Frontbereich bis zur Windlaufebene (1, 2) und im Heckbereich bis zur unteren Begrenzung des Kofferraums
(4, 5, 6) reichen. Bei der Antriebskonfiguration mit Radnabenmotoren ist der gesamte Heckbereich für die
Traktionsbatterie theoretisch nutzbar. Bei der Antriebskonfiguration mit radnahen, bzw. radfernen
Elektromotoren auf der Hinterachse wird der Bauraum entsprechend reduziert. So ergeben sich Bauräume
zwischen den Elektromotoren (5) und zwischen der unteren Begrenzung des Kofferraums und den
Elektromotoren (6).
Welche der einzelnen Batteriebauräume ausgewählt werden, hängt von deren Eignung für die spezifischen
Alternative des Konzeptes ab und wird vom Anwender des DMUs entschieden. Einige Anforderungen können
bereits vor der Erstellung einer Alternative durch das DMU festgelegt werden. Dazu gehören beispielsweise
geometrische Mindestmaße, die zur Anordnung der Batteriezellen im jeweiligen Bauraum nötig sind. Weiterhin
können durch Sicherheitsanforderungen im Falle eines Crashs einzelne Batteriebauräume bereits vorher
ausgeschlossen werden. Das betrifft insbesondere die Bauräume vor der Vorderachse und hinter der Hinterachse.
Im Frontbereich kann außerdem eine Lenkungseinheit durch entsprechendes Verkleinern oder durch
Deaktivieren des Bauraums berücksichtigt werden.
Steuerung des DMUs und Schnittstellen
Die Steuerung des DMUs wird durch Microsoft Excel umgesetzt. Das Excel-Dokument dient im Prozess als
Schnittstelle für den Anwender des DMUs. Es werden Dokumente in Excel erstellt, die sich im Wesentlichen
drei Typen, dem Dokument zur Parameterübergabe an CATIA-V5, zur Anwenderinteraktion, sowie
Datenbanken, zuordnen lassen (siehe Abbildung 10).
123456

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Abbildung 10: Dokumenttypen in Excel und deren Integration zur Steuerung des DMUs in den
Erstellungsprozess
Über das Dokument zur Anwenderinteraktion werden Parameter vom Anwender eingegeben. Gleichzeitig dient
das Dokument zur Informationsrückgabe, die die Eigenschaften der ausgewählten Elemente wie Antriebs-
motoren oder Orientierungshilfen zur Dimensionierung des Modells für eine bestimmte Fahrzeugklasse betrifft.
Diese Informationen sind in Datenbanken im Excel-Dokument abgelegt und werden über das Dokument zur
Anwenderinteraktion abgerufen. Die Werte, die im Dokument zur Anwenderinteraktion definiert sind, werden
anschließend durch Verknüpfungen in das Dokument zur Parameterübergabe an CATIA-V5 geschrieben. Die
Parameterwerte, die durch den Anwender eingegeben wurden, werden über das Feature „Konstruktionstabelle“
an CATIA-V5 übergeben, sodass die Parameterwerte vom DMU vollautomatisch übernommen werden. Die
Rückkopplung des DMUs in CATIA-V5 zum Anwender erfolgt durch Betrachtung des Modells, das durch
geeignete Zeichnungen in CATIA-V5 zur geometrischen Analyse aufbereitet ist.
4. Anwendung und Validierung des Digital Mock-Ups
Um die Anwendbarkeit des DMUs auf ein reales Fahrzeug zu überprüfen, wird das DMU auf das
Funktionsmuster EDITHA I der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg angewendet. Hierbei handelt es sich
um einen Smart Fortwo der Baureihe 451, dessen konventioneller Antrieb mit einem Verbrennungsmotor durch
einen dezentralen elektrifizierten Antriebsstrang umgerüstet wurde. Die OvGU Magdeburg verfolgt das
dezentrale Antriebskonzept. Dementsprechend befinden sich in EDITHA I zwei Elektromotoren, die jeweils die
beiden Hinterräder separat antreiben. Nach der Umrüstung von EDITHA I auf den elektrifizierten Antriebsstrang
stehen im Wesentlichen zwei Bereiche zur Verfügung, in denen die Traktionsbatterie angeordnet werden kann:
Der Bodenbereich zwischen Vorder- und Hinterachse (1 - vgl. Abbildung 11) und der Bereich über den
Elektromotoren im Heckbereich (2 - vgl. Abbildung 11). Das entspricht einer typischen Einschränkung der
Bauräume für den elektrifizierten Antrieb, die beim Conversion Design auftritt. Im Bodenbereich ist bereits eine
Traktionsbatterie verbaut. Dort befindet sich bei einem Smart Fortwo mit konventionellem Antriebsstrang der
Kraftstofftank. Die Batteriezellen der Traktionsbatterie sind in einem quaderförmigen Gehäuse verbaut. Die
Quadergeometrie wird ebenfalls für die modulare Bauweise der Traktionsbatterie im DMU verwendet
(siehe Abbildung 9).
Die zur Verfügung stehenden und tatsächlich genutzten Batteriebauräume sollen im DMU abgebildet werden.
Anhand der Maße aus dem Maßkonzept des Smart Fortwo sowie aus direkten Messungen am Fahrzeug wird
dessen Basisgeometrie sowie Antriebsstrang definiert und daraus die effektiv nutzbaren Batteriebauräume
abgeleitet. Auch die Fahrzeugstrukturbedingten Abstände zu den Grenzflächen sind direkt am Fahrzeug
gemessen. Zur Validierung soll folglich die korrekte Darstellung des Fahrzeuges im DMU betrachtet werden,
sowie geometrische Abweichungen zwischen den effektiv nutzbaren Batteriebauräumen im Realfahrzeug und
dem DMU. Die Maße der Bauräume, die im Realfahrzeug zur Verfügung stehen, wurden direkt am Fahrzeug
gemessen. Durch den Vergleich der Geometrien wird eine Bewertung der Darstellungsgüte durchgeführt. In
Abbildung 11 sind die Basisgeometrie und die effektiv nutzbaren Batteriebauräume im DMU von EDITHA I
dargestellt.
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13. Magdeburger Maschinenbau-Tage 27.09. - 28.09.2017
Abbildung 11: Integration der nutzbaren Batteriebauräume im DMU von EDITHA I
Insgesamt müssen Einschränkungen hinsichtlich der geometrischen Detaillierung des Modells gemacht werden.
Detailkomponenten, wie Karosseriesäulen, die Lenkungseinheit oder Kabelstränge, werden im Modell nicht
direkt abgebildet, sondern können über entsprechende Anpassungen des Packages indirekt mit Einschränkungen
im Modell mitberücksichtigt werden. Weiterhin können Abweichungen an der Front- und Heckebene des
Modells identifiziert werden. Die aerodynamisch angepasste Front des Fahrzeugs besitzt eine komplexere
geometrische Form als die im DMU repräsentierte senkrechte Ebene. In dem Einsatzgebiet der
Grobkonzeptmodellierung ist dieser Abstraktionsgrad jedoch notwendig, sodass diese Abweichung hinnehmbar
ist.
Durch die Festlegung der Parameterwerte aus dem Maßkonzept des Fahrzeuges und durch das direkte Messen
am Fahrzeug selbst, kann eine hohe Ähnlichkeit zwischen dem Realfahrzeug und dem DMU festgestellt werden
(siehe Tabelle 1). Das DMU kann den im Bodenbereich verwendeten Bauraum für die Traktionsbatterie von
EDITHA I somit in einer hohen Genauigkeit abbilden.
Tabelle 1: Abmessungen und relativer Vergleich des Batteriebauraummoduls im Bodenbereich des
Fahrzeugs im Realfahrzeug und im DMU
Der nutzbare Batteriebauraum im Heckbereich von EDITHA kann im DMU mit den gemessenen Werten am
realfahrzeug übereinstimmend dargestellt werden. Die Validierung des DMU anhand der Bauräume des
Realfahrzeugs EDITHA I kann somit als Erfolgreich bewertet werden.
5. Zusammenfassung und Ausblick
In dem vorliegenden Beitrag wurde gezeigt, wie aus dem Maßkonzept und weiteren notwendigen geometrischen
Komponenten, ein parametrisches, konsistentes Digital Mock-Up eines Elektrofahrzeugs erzeugt werden kann.
Ziel des DMUs ist es, Bauräume im Fahrzeug abzuleiten, die zur Integration der Traktionsbatterie genutzt
werden können. Insbesondere bei dem Package der Traktionsbatterie besteht die Notwendigkeit, eine möglichst
effiziente Lösung zu finden, da sie hinsichtlich ihres Volumens als auch ihres Gewichts einen wesentlichen
Realfahrzeug DMU
relative Abweichung
Länge 520 mm 527 mm 0,013
Breite 1050 mm 1079 mm 0,028
Höhe 190 mm 182 mm 0,042
Mittelwert der Abweichung: 0,028

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Anteil am Gesamtfahrzeug ausmacht. Das DMU bietet gegenüber dem physischen Gegenstück den
entscheidenden Vorteil, mit deutlich geringerem Aufwand und in kürzerer Zeit geeignete Konzeptmodelle
bereitzustellen. Der Vergleich dieser Modelle untereinander soll zu einer höheren Validität in den frühen Phasen
der methodischen Produktentwicklung führen.
Mithilfe des DMUs lassen sich Personenkraftwagen abbilden, die durch ein genormtes Maßkonzept beschrieben
werden. Hierbei soll das DMU insbesondere die Entwicklung von elektrifizierten Fahrzeugen nach dem Purpose
Design ermöglichen. Dieser Gestaltungsansatz kann die großen Packagevorteile von dezentralen Antriebs-
konzepten ausnutzen und wird deshalb langfristig Erfolgsversprechender als das Conversion Design angesehen.
Das DMU besteht aus wesentlichen Grenzflächen, die den Bauraum der Traktionsbatterie einschließen. Zu
diesen Grenzflächen können flexible Abstände definiert werden, um beispielsweise die Karosseriestruktur oder
die Sicherheit des Fahrzeuges, durch Festlegung von Crashzonen, berücksichtigen zu können. Weiterhin wird
der Batteriebauraum in modulare Batteriesegmente unterteilt, die durch einfache geometrische Formen
beschreibbar sind und in anschließenden Optimierungsprozessen für die Anordnung von Batteriezellen
verwendet werden sollen.
Die Steuerung des Modells erfolgt über das Tabellenkalkulationsprogramm Microsoft Excel, in dem der
Anwender alle notwendigen Informationen eingeben kann. Aus diesen Informationen wird in einem
automatisierten Prozess das Konzeptmodell im CAD-System CATIA-V5 visualisiert. Die Erstellung des DMUs
erfolgt hierbei iterativ von der Definition des Maßkonzeptes über die des Antriebsstranges bis zur Auswahl der
einzelnen modularen Batteriesegmente. Die visuelle Rückkopplung ermöglicht dem Anwender eine sofortige
Bewertung und Anpassung des DMUs.
Hinsichtlich des Abbildungsumfanges des DMUs und des Prozesses zur Erstellung und Verarbeitung der Daten
können Erweiterungen vorgenommen werden. Insbesondere sollte die Integration in einem Optimierungsprozess
für die Anordnung der Batteriezellen im zur Verfügung stehenden Bauraum realisiert werden. Er kann innerhalb
des Excel-Dokumentes des DMUs erfolgen oder auch zu anderer Software wie MATLAB ausgelagert werden
(siehe Abbildung 12).
Abbildung 12: Integration des DMUs in einen Optimierungsprozess für das Package der
Traktionsbatterie
Ein Export der relevanten Parameter für die Position und Abmessungen der Batteriebauraummodule nach
universellen Dateiformaten ist möglich. Für die Anordnung der Batteriezellen ist unter anderem deren
geometrische Form relevant, die bereits im DMU berücksichtigt werden kann. Weitere Eigenschaften, wie die
Abstände der Zellen zueinander aufgrund der Wärmeausdehnung oder zur Polkontaktierung der Batteriezellen,
sollten hier integriert werden. Die Erzeugung von unterschiedlichen Konzeptmodellen mit jeweils
packageoptimierten Batteriemodulen sollen dem Anwender dabei helfen, eine zuverlässigere Auswahl des
Fahrzeuggrobkonzeptes für die weitere Entwicklung treffen zu können.
Hinsichtlich des Abbildungsumfanges des DMUs können beispielsweise Erweiterungen zur Ergonomie der
Fahrzeuginsassen, zur Aufbaustruktur oder zu Fahrleistung und Verbrauch vorgenommen werden. Bezüglich der
Ergonomie des Fahrzeuges sind im Modell zwar wesentliche Maße, wie R-Punkt, Sitzhöhe oder Sitzabstand
berücksichtigt, eine ergonomische Bewertung wird jedoch nicht durchgeführt. Über die Integration einer
Aufbaustruktur der Karosserie können Aussagen zur Fahrzeugsteifigkeit und -sicherheit getroffen werden. Zur
Bewertung der Fahrleistung und dem Verbrauch sind aerodynamische Modelle und leistungs- sowie
verbrauchsrelevante Eigenschaften des Antriebsstranges notwendig, wie die zur Verfügung stehende Kapazität
der Traktionsbatterie, Leistungsdaten der Antriebsmotoren oder der Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Um
darüber Aussagen treffen zu können, müssen die im DMU vorhandenen Parameter verknüpft und mit
geometrischen bzw. nichtgeometrischen Parametern erweitert werden.
Digital Mock-Up
Anforderungen und Restriktionen
optimierte
Alternativen
Optimierungsprozess
•Analyse und Vergleich
der Alternativen
•automatisiert
Erzeugung gültiger
Alternativen (Lösungsraum)

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Literaturverzeichnis
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Technologien, Märkte und Implikationen, 2. Aufl., ATZ/MTZ-Fachbuch, Vieweg+Teubner Verlag /
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[10] Richtlinie 2007/46/EG des europäischen Parlamentes und des Rates. Europäische Gemeinschaft, 2007.
[11] DIN 70020: Allgemeine Begriffe im Fahrzeugbau, Beuth Verlag. Deutsches Institiut für Normung,
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Dissertation, AutoUni, Wolfsburg, 2012.
[13] Ried, M.: Lösungsraumanalyse für Plug-In-Hybridfahrzeuge hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und
Bauraumkonzept, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, Duisburg, Essen, 2014.