gesponsertEntwicklung Von der Zelle zum Spiegel: Wie Simulation Innovationen fördert

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Comsol Multiphysics GmbH

Steigende Anforderungen an Effizienz, Leistung und Komfort machen die Fahrzeugentwicklung zunehmend komplex – fünf Beispiele zeigen, wie Multiphysik-Simulation Innovationen beschleunigt und den Entwicklungsaufwand begrenzt.

Eine leise schließende Fahrertür, angenehme Akustik auch bei hohen Geschwindigkeiten, elektrische Reichweiten, die in die Nähe von Verbrennern kommen: Oft sind Innovationen wie diese das Ergebnis tausender virtueller Testzyklen. Simulationen gewinnen in einem Wettbewerbsumfeld an Bedeutung, in dem immer kürzere Entwicklungszyklen den so genannten „China-Speed“ zum neuen Standard machen.

Hersteller sind unter Zugzwang, Innovationen kosteneffizienter und schneller zur Marktreife zu bringen. Simulationen sind in diesem Kontext das bestimmende Tool, um die Anzahl physischer Prototypen in Forschung & Entwicklung zu reduzieren und ressourcenoptimiert zu iterieren. Hinzu kommt die gewachsene Komplexität moderner Fahrzeuge: Ein Batteriepack etwa muss gleichzeitig im Hinblick auf Wärmemanagement, Elektrochemie und Crashsicherheit funktionieren. Zellmaterialien, innerer Aufbau, Gehäuse – jede Ebene stellt für sich genommen eine Stellschraube in einem System dar.

Häufig werden in der Entwicklung mehrere Stellschrauben gleichzeitig angepasst. Spätestens hier stoßen physische Tests an ihre Grenzen. Simulation erlaubt schnelle Antworten auf Fragen wie: „Wie ändern sich innere Druckverhältnisse, wenn sich Zellen beim Laden und Entladen ausdehnen und wieder zusammenziehen?“ Damit die zugrunde liegenden Modelle die Wirklichkeit möglichst realitätsgetreu abbilden, nutzen Ingenieure Multiphysik-Simulation wie in Softwarelösungen von COMSOL. Statt einzelne Fachdisziplinen getrennt zu berechnen, lassen sich mehrere physikalische Domänen in einem Modell koppeln.

Entwicklungsteams, die früher eine Vielzahl spezialisierter Werkzeuge für unterschiedliche Fachgebiete nutzten, bilden heute alle relevanten Wechselwirkungen mit einem gemeinsamen Simulationswerkzeug ab. So entstehen virtuelle Prototypen, an denen sich Designentscheidungen systematisch testen lassen, bevor sie physisch umgesetzt werden.

So werden Simulationsmodelle alltagstauglich

Diese Genauigkeit hat ihren Preis: Multiphysik-Modelle sind rechenintensiv. Ein transientes Akustikmodell einer Fahrzeugkabine etwa kann ohne weiteres 49 Millionen Freiheitsgrade umfassen und auf klassischer Hardware rund 19 Stunden Rechenzeit benötigen. Eine GPU-Beschleunigung verkürzt die Berechnungsdauer erheblich.

Bei besonders komplexen physikalischen Zusammenhängen wie chemischen Abläufen innerhalb von Batteriezellen setzen moderne Simulationstools zusätzlich auf Ersatzmodelle in Form trainierter neuronaler Netze. Dabei wird ein aufwendiges elektrochemisches Zellmodell einmalig mit realistischen Betriebsbedingungen trainiert. Im übergeordneten Packmodell ersetzt dann das deutlich schnellere neuronale Netz die wiederholte Berechnung der komplexen Elektrochemie an jedem Ort und Zeitpunkt. Auf diese Weise lässt sich die Alterung einer gesamten Batterie über realistische Lade- und Entladezyklen hinweg abbilden.

Ergänzend kommen speziell entwickelte Simulations-Apps zum Einsatz, die Simulationen über eine reduzierte Bedienoberfläche auch Nicht-Spezialisten zugänglich machen. Modelle können so abteilungsübergreifend getestet werden. Wie die multiphysikalische Herangehensweise Innovationen in der Praxis beschleunigt, zeigen die folgenden Beispiele aus Bereichen wie Antriebsstrang, Aerodynamik und Fahrzeugakustik – von der Batteriezelle bis zum Seitenspiegel.

Laserschweißen für langlebigere Lkw-Batterien

Elektro-Lkw standen bei der diesjährigen IAA Transport nicht ohne Grund im Fokus: Sie bieten das Potenzial, Langstreckenfahrten in der Logistik wirtschaftlich und ökologisch deutlich zu optimieren, da sie Kraftstoff- und Wartungskosten sowie CO₂-Emissionen im Transport senken. Damit elektrische Langstreckenfahrten jedoch rentabel werden, müssen die Batterien in ihrer durchschnittlichen Lebensdauer zulegen.

Ein Faktor, der darauf Einfluss hat, ist die Qualität des Laserschweißens im Herstellprozess: Batteriezellen werden im Pack über Sammelschienen verbunden. Eine korrekt ausgeführte Schweißnaht kann die Lebensdauer erhöhen, eine fehlerhafte dagegen die Alterung beschleunigen. Das Projekt „Multiskalige Simulation des Laserschweißens für eine optimale Batteriepack-Fertigung“, kurz „LaserBATMAN“, untersuchte daher von Mai 2022 bis Mai 2025, wie sich das Laserschweißen auf die Robustheit und Lebensdauer von Batteriepacks auswirkt. Beteiligt waren unter anderem Aurobay, Resolvent, die Technische Universität Dänemark und Volvo Group Trucks Operations.

Mithilfe von Simulationsmodellen lassen sich die Auswirkungen des Schweißprozesses in der Herstellung analysieren und vorhersagen. Das Resolvent-Team nutzte für dieses gekoppelte Problem die Software COMSOL Multiphysics. Zunächst entstand ein detailliertes elektrochemisches 1D-Modell einer Batteriezelle. Mit dessen Ergebnissen trainierten die Ingenieure ein tiefes neuronales Netzwerk, das, einmal erstellt, alle weiteren Berechnungen zu Zellverhalten und Alterung deutlich beschleunigt.

Auf dieser Grundlage entwickelte Resolvent eine Simulations-App für Volvo. Anwender geben unter anderem Packgeometrie, Anzahl der Zellen, Umgebungstemperatur sowie Lade- und Entladestromprofile ein. Die App zeigt daraufhin Schweißnahttemperatur, Ladezustand und die Dicke der Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI). Mit diesen Informationen optimieren Entwickler anschließend die Form der Schweißnaht, die Dicke der Sammelschiene und die Eindringtiefe des Lasers. Sehen die Ingenieure anhand der Ergebnisse beispielsweise Potenzial für eine bessere Kühlung, könnte das Pack bei gleicher Leistung potenziell um zwei Zellen verkleinert werden.

„Wir sind mit dem modellbasierten Ansatz in einer viel besseren Position, um die Leistung zu optimieren und die Robustheit zu erhöhen“, sagt Martin Refslund Nielsen, ehemaliger Chief Commercial Officer und Partner bei Resolvent. Das Ergebnis sind Batteriedesigns, die längere Autobahnfahrten mit weniger Ausfällen ermöglichen und so die wirtschaftliche Nutzung von Elektro-Lkw vorantreiben.

Simulation unterstützt die Entwicklung neuer Zellchemien

Nicht nur der Herstellprozess, auch die Wahl der Zellchemie selbst macht einen Unterschied. Der Entwicklungsdienstleister IAV ging einen ungewöhnlichen Weg und kombinierte zwei grundverschiedene Batterietechnologien in einem System, um eine günstigere und ressourcenschonendere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien zu schaffen.

Das Doppelbatteriesystem kombiniert eine Natrium-Ionen-Batterie (SIB) mit einer Lithium-Eisenphosphat-Festkörperbatterie (LFP-SSB). SIBs sind besser recycelbar, haben aber meist eine geringere Energiedichte und Lebensdauer. LFP-Zellen dagegen sind stabil und langlebig. Ihre Energiedichte liegt allerdings unter der konventioneller Lithium-Ionen-Zellen. In der Festkörpervariante lässt sich die Energiedichte steigern. So verbindet das Doppelbatteriesystem die jeweiligen Stärken beider Technologien.

Spannend wird es beim Ausbalancieren der unterschiedlichen „Temperaturbedürfnisse“ zwischen den beiden Technologien: Während SIBs mit flüssigem Elektrolyten gekühlt werden müssen, benötigen Festkörperzellen höhere Temperaturen, um ausreichend Ionen leiten zu können. Das Doppelbatteriesystem sieht vor, die Abwärme der SIB an die LFP-SSB weiterzugeben. So kann die Festkörperbatterie schneller aktiviert werden, während die Natrium-Ionen-Zellen vor Überhitzung geschützt werden.

Auch hier können Simulationen helfen, das Zusammenspiel zu optimieren. Dazu koppelte IAV mit COMSOL Multiphysics alle relevanten physikalischen Effekte und konnte am virtuellen Prototyp nachweisen, dass die Abwärme der SIB ausreicht, um die Festkörperzellen teilweise vorzukonditionieren und den Energiebedarf für ihre Aktivierung bei Kälte zu senken. „Ein hochintegrierter modellbasierter Entwicklungsprozess ermöglicht es, das Potenzial verschiedener Zellchemien, Zellaufbauten und Kühlkonzepte zu untersuchen und reduziert den Bedarf an physischen Prototypen. So lassen sich selbst gegensätzliche Anforderungen wie Kühl- und Heizbedarf in einem gemeinsamen System erfüllen", sagt Jakob Hilgert, technischer Berater bei IAV, der das Doppelbatterie-Projekt mitentwickelt hat.

Windlast auf Tür und Außenspiegel

Nicht nur das Verhalten von Batterien ist aus multiphysikalischer Sicht relevant. Auch dort, wo Luftströmung auf Fahrzeugstruktur trifft, treten gekoppelte Effekte auf. Das folgende Beispiel zeigt, wie Strömungssimulationen mit Strukturmechanik-Modellen zusammenarbeiten, um Kräfte und Schwingungen durch Windlasten zu modellieren. Bei hohen Geschwindigkeiten erfahren Insassen die äußere Luftströmung oft akustisch. Besonders Fahrzeugtüren reagieren empfindlich auf Vibrationen. Ingenieure berechnen dafür mit so genannten Large-Eddy-Simulationen (LES) die transienten Kräfte, welche die Luftströmung bei hohem Tempo auf Tür und Außenspiegel eines Sportwagens ausübt. Die berechneten Kräfte fließen als Lasten in eine Strukturanalyse ein.

In COMSOL Multiphysics übernehmen zwei Zusatzmodule die jeweilige Physik: Das CFD Module berechnet Strömungs- und Druckfeld rund ums Fahrzeug, das Structural Mechanics Module die daraus resultierenden Schwingungen. Mit den Ergebnissen können die Entwickler anschließend Material und Konstruktion gezielt anpassen. Auf diese Weise lassen sich störende Geräusche reduzieren und die Anforderungen moderner Fahrzeuge an Komfort besser erfüllen.

Optimierte Akustik im Innenraum

Auch im Innenraum entscheidet Akustik über den Komfortcharakter eines Fahrzeugs. Wie ein Soundsystem klingt, hängt nicht nur von den Lautsprechern ab, sondern ebenso von Sitzbezügen, Verkleidungen, Scheibenflächen und der Geometrie der Kabine. Mit Simulationssoftware lässt sich untersuchen, wie sich Materialien und Bauteilgeometrien auf Reflexionen, Schallwege und die wahrgenommene Klangqualität auswirken, bevor ein physischer Prototyp entsteht.

Rechnerisch ist das anspruchsvoll: Eine vollständige Finite-Elemente-Berechnung der gesamten Kabine über den hörbaren Frequenzbereich wäre kaum praktikabel. COMSOL kombiniert deshalb beide Welten – die FEM bildet das detaillierte Nahfeld der Lautsprecher ab, das anschließend als Quelle in ein Raytracing-Modell übergeben wird, welches die Ausbreitung durch den Innenraum effizient verfolgt.

Hinzu kommt die Hardwareseite: Ein transientes Kabinenmodell, das auf zwei Clusterknoten rund 19 Stunden Rechenzeit benötigte, ließ sich mit GPU-Beschleunigung in etwa 1,5 Stunden lösen – ein Faktor von rund 20 bis 25. So lassen sich in derselben Zeit deutlich mehr Varianten untersuchen.

Parksensoren zuverlässig platzieren und kalibrieren

Ein heute kaum noch wegzudenkendes Asset moderner Fahrzeuge, das sich ebenfalls akustisch bemerkbar macht und für Komfort und Sicherheit sorgt, sind Parksensoren. In der Regel messen sie mithilfe von Ultraschall den Abstand des Fahrzeugs zu Hindernissen, von der Bordsteinkante über schmale Poller bis hin zu Wänden, parkenden Autos oder Personen. Ob die Messung verlässlich funktioniert, hängt allerdings nicht allein vom Sensor selbst ab, sondern ebenso von seiner Einbauposition im Stoßfänger, vom Neigungswinkel, von der Abstrahlcharakteristik und von den Materialien in der Umgebung. Diese und weitere Parameter lassen sich simulativ durchspielen, bevor Sensoren in einen physischen Stoßfänger gesetzt werden.

Zum Einsatz kommt dasselbe hybride Prinzip wie bei der Kabinenakustik – nur mit umgekehrter Blickrichtung, vom Fahrzeug nach außen. Zunächst berechnet ein FEM-Modell den piezoelektrischen Wandler samt Gehäuse und sein akustisches Nahfeld. Gekoppelt werden dabei Strukturmechanik, Elektrostatik und Druckakustik. Das Ergebnis ist die tatsächliche Abstrahlcharakteristik des Sensors, die anschließend als Quelle in ein Raytracing-Modell übergeben wird. Dieses verfolgt die Schallstrahlen im Fahrzeugumfeld, inklusive Reflexionen am Hindernis, am Boden und an der Fahrzeugkontur, bis zurück zum Empfänger.

Damit wird analysierbar, was in der Praxis über Funktion oder Fehlfunktion entscheidet: Wie stark fällt das Echo eines Hindernisses in einem Meter Entfernung aus? Ab welchem Abstand verschwindet ein schmaler Pfosten im Signalrauschen? Erzeugt die Bodenreflexion ein Störecho, das als Hindernis fehlinterpretiert werden könnte? Und wo entstehen durch den Einbauwinkel tote Winkel im Erfassungsbereich? Aus den simulierten Empfängersignalen lassen sich Laufzeiten und Amplituden ableiten und daraus Schwellwerte für die Signalauswertung kalibrieren, also jene Werte, die später bestimmen, wann das Fahrzeug warnt und wann nicht.

Auch hier zahlt sich die GPU-Beschleunigung aus: Deutlich mehr Varianten von Position, Ausrichtung und Sensordesign lassen sich in derselben Zeit prüfen, und die Zahl der Abstimmungsschleifen am realen Fahrzeug sinkt.

Simulation als Antwort auf wachsenden Druck in der Entwicklung

Die Beispiele – von der Schweißnaht in der Batteriefertigung bis zur Kalibrierung eines Ultraschallsensors im Stoßfänger – verdeutlichen ein gemeinsames Prinzip: Je mehr physikalische Domänen in einem Bauteil oder System zusammenwirken, desto größer der Vorteil einer gekoppelten gegenüber einer isolierten Betrachtung. Und je früher Fragen wie Einbauposition, Ausrichtung oder Auswertelogik beantwortet werden, desto weniger kostet ihre Korrektur. 

Simulation ersetzt den physischen Test dabei nicht vollständig. Zulassung, Homologation und finale Validierung – gerade bei sicherheitsrelevanten Assistenzfunktionen – bleiben auf reale Prototypen angewiesen. Sie verschiebt jedoch einen wachsenden Teil der Entwicklungsarbeit in frühere, günstigere und schnellere Projektphasen. Für Hersteller, die sich beim gesteigerten Entwicklungstempo an internationalen Märkten langfristig behaupten möchten, dürfte genau das den Unterschied machen: nicht schneller zu testen, sondern früher zu wissen, was sich zu testen lohnt.