Kernkompetenz »Antriebssysteme«

Unsere Kernkompetenz »Antriebssysteme« umfasst sowohl Lösungen für elektromotorische als auch für verbrennungsmotorische Antriebe. Die Systeme werden bei uns konzipiert, konstruiert, simuliert und im Versuch validiert. Ergänzend validieren wir mobile und stationäre Energiespeicher sowie thermische Speicher. Für verbrennungsmotorische Antriebe erforschen wir in unseren Forschungsmotoren synthetische Kraftstoffe und Additive.

Restwärmenutzung und Energierückgewinnung: Erprobung des Restwärmenutzungssytems im Heißgasprüfstand
© Fraunhofer ICT
Restwärmenutzung und Energierückgewinnung: Erprobung des Restwärmenutzungssytems im Heißgasprüfstand

Elektromotorische Antriebe

Im Bereich der elektromotorischen Antriebe beschäftigen wir uns intensiv mit elektrischen Antrieben und deren Komponenten. Ein wesentlicher Teil dieses Arbeitsgebietes ist die Entwicklung von Elektromotoren und Getriebesystemen für batterieelektrische Fahrzeuge. Dabei fokussieren wir uns auf Technologien, die eine hohe gewichtsspezifische Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad versprechen. Bei den Elektromotoren werden alternative Kühlkonzepte und Wicklungsarten betrachtet sowie Fertigungstechnologien, die Möglichkeiten für den Einsatz in effizienten, großserienfähigen Herstellungsverfahren für Leichtbaumaterialien bieten.

Im Bereich der Entwicklung von Traktionsbatteriesystemen, liegt unser Forschungsschwerpunkt auf der Entwicklung von leichten, sicheren und funktionsintegrierten Lösungen, die den Anforderungen an hohe Energie- und Leistungsdichten sowie den Sicherheitsanforderungen beim schnellen Laden und Entladen gerecht werden. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Entwicklungen ist die Konzeption, Konstruktion und Simulation von effizienten Thermomanagementsystemen, die für das Heizen oder Kühlen der Batteriesysteme notwendig sind.

Verbrennungsmotorische Antriebe

Aufgrund sehr guter Gesamtwirkungsgrade (well-towheel), sowie hoher gravimetrischer und volumetrischer Energiedichten der verwendeten Kraftstoffe, werden Verbrennungsmotoren in den nächsten Jahren weiterhin eine dominierende Antriebsquelle im Transport- und Individualverkehr darstellen. Im Bereich der verbrennungsmotorischen Antriebe sind unsere Forschungsschwerpunkte die Entwicklung technischer Lösungen im gesamten Antriebsstrang für mobile Anwendungen. Dabei betrachten wir den Verbrennungsmotor sowohl als alleiniges Antriebsaggregat als auch in Kombination mit einem Elektromotor als hybrides Antriebssystem. Die Zielsetzung aller unserer Entwicklungen in diesem Gebiet ist es, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen der Verbrennungsmotoren zu senken und das Gesamtsystem sicherer, flexibler, verfügbarer und vor allem mit bezahlbarer Mobilität in Einklang zu bringen. Deshalb beschäftigen wir uns mit hocheffizienten Brennverfahren, alternativen Motorkonzepten, verbesserter Motormechanik und Restenergienutzung. Aufgrund unserer umfassenden Forschungsexpertise und der exzellenten Ausstattung unserer Technika setzen wir neue Trends bei der Abgasreinigung, bei synthetischen Kraftstoffen und für Konstruktionswerkstoffe. Dabei bedienen sich unsere Wissenschaftler*Innen verschiedener Simulations- und Optimierungstools sowie moderner Laboreinrichtungen und automatisierter Prüfstände.

Aufbau eines Einzylinderversuchsmagermotors am Fraunhofer ICT
© Fraunhofer ICT
Aufbau eines Einzylinderversuchsmagermotors am Fraunhofer ICT
Magerbrennverfahren: Forschungszylinderkopf vor Montage der Ladungswechselorgane
© Fraunhofer ICT
Magerbrennverfahren: Forschungszylinderkopf vor Montage der Ladungswechselorgane
VW e-Golf auf dem Akustik-Allrad- Rollenprüfstand (AARP) des KIT-FAST
© Fraunhofer ICT | Mona Rothweiler
VW e-Golf auf dem Akustik-Allrad-Rollenprüfstand (AARP) des KIT-FAST

Konstruktionskompetenz

Mit unserer Konstruktionskompetenz führen wir für unsere Industrie- und Projektpartner Neuentwicklungen komplexer Systeme durch. Zum Beispiel konstruieren und fertigen wir Prototypen zur Validierung neuer Funktionsprinzipien oder Anordnungskonzepte von Traktionsbatterien und Elektromotoren, bis hin zu kompletten thermischen Energiewandlern, wie Verbrennungsmotoren und Turbinen. Unsere Kompetenz beginnt bereits in der Ideen- und Konzeptphase. Wir erarbeiten Entwürfe, erstellen Detailkonstruktionen und fertigungsgerechte Zeichnungen. Wir setzen als Standard CATIA V5 in Verbindung mit einem CAD-Datenmanagementsystem sowie eine umfangreiche Werkstoffdatenbank bei unseren Aufträgen ein. Um die optimale Zusammenarbeit mit unseren Industriepartnern zu gewährleisten, wenden wir die Top-Down-Konstruktionsmethodik an. Damit ist eine einheitliche und übersichtliche Bauteilstruktur möglich.

Simulationskompetenz

Um neue Konstruktionen zu verifizieren und zu modellieren, analysieren wir komplexe Komponenten und Systeme bereits während der Konzeptphase. Das Verhalten einzelner Komponenten im Zusammenspiel auf Systemebene erfassen wir dabei mit Simulationstools zur Wärme-, Stoff- und Informationsübertragung, wie Dymola und GT-Suite. Die Komponenten werden dabei physikalisch oder kennfeldbasiert modelliert. Neuartige Kühlungskonzepte werden mittels CFD- und CHTSimulationen im Bereich Verbrennungsmotoren und Elektromotoren konzipiert. Wir setzen auch das Gesamtfahrzeug- Simulationstool »IPG-CarMaker« ein, welches es ermöglicht, Fahrzeuge in variable Komponenten modular zu zerlegen und deren Wirksamkeit im Fahrbetrieb zu untersuchen. Dadurch lassen sich mögliche Verbrauchsvorteile der betrachteten Technologien in Fahrzyklen berechnen. Für die Strömungs-, Mehrkörper- und Struktursimulation setzen wir ebenfalls professionelle Tools gemäß aktuellem Industriestandard ein, zum Beispiel Ansys Fluent, Ansys Mechanical und SimPack.

Versuchskompetenz

Wir betreiben moderne Prüfeinrichtungen und vervollständigen damit unsere Expertise aus Simulation, Konstruktion, Entwicklung und Fertigung von Komponenten und Systemen, in einem umfangreichen Versuchsfeld. Auf unserem Motorprüfstand sind vollständige Vermessungen von Vollmotoren der kleineren PKW-Größe und 1-Zylinder-Forschungs-Motoren umsetzbar. An unserem Hybridprüfstand wird der gesamte elektrische Teil des Antriebsstrangs dargestellt. Dieser besteht aus einem DC/DC-Wandler, einem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine. Durch den DC/DC-Wandler kann zum Beispiel der Verlauf der Batteriespannung über den Ladezustand der Batterie dargestellt werden.

Auf einem Heißgasprüfstand werden Systeme zur Restwärmenutzung, thermoelektrische Generatoren, Wärmeübertrager, Turbogeneratoren, Abgasturbolader und Abgasanlagen untersucht. Eine am Fraunhofer ICT entwickelte Erweiterung dieses Prüfstands ermöglicht es, das Schädigungsverhalten von Komponenten bezüglich thermomechanischer Ermüdung (TMF) überlagert mit hochfrequent mechanischer Last (HCF) zeitlich gerafft zu bestimmen. Hierfür wird der Heißgasprüfstand mit einem Hochfrequenzpulsator kombiniert, der die mechanische Last darstellt. Unser portables Abgasmesssystem (PEMS) und unser Datenlogger ermöglichen es, die Realfahrdaten sowohl auf Emission als auch Betriebs- und Umgebungsbedingungen hin zu erfassen.

Ausstattung

MOTORPRÜFSTÄNDE

  • Belastungseinheiten: Asynchronmaschine (4-Quadranten-Betrieb)
  • 480 Nm, 250 kW, 10.000 1/min
  • 250 Nm, 120 kW, 12.000 1/min
  • Einzylinderuntersuchungen
  • Erprobung synthetischer Kraftstoffe
  • Wasserstoffverbrennung

EMISSIONSMESSTECHNIK

  • AVL M.O.V.E Gas & Particle Counter
    • NO/NO2, CO/CO2, O2
    • Opt. FID-Modul (THC, CH4)
    • Abgasvolumenstrom
    • OBD-Logging
    • Beheizte Leitung
    • Stromversorgung: Batterie
  • AVL Particle Counter APC 489
  • TSI EEPS Partikelspektrometer
  • Cambustion Fast Gas Analyser (NOX, HC, CO)

HEISSGASPRÜFSTAND

  • UTF Erdgasbrenner
  • Max. Temperatur 1200 °C
  • Leistung bis 400 kW
  • Heißgasmassenstrom bis 1800 kg/h
  • Temperaturgradient bis zu 100 K/s

HOCHFREQUENZPULSATOR

  • Elektromagnetischer Antrieb
  • Dynamische und statische Prüfmaschine
  • Prüfkräfte von bis zu 100 kN
  • Prüffrequenzen von bis zu 285 Hz

TESTMETHODIK UND FAHRZEUGSIMULATION

  • Virtuelle Erprobung
  • IPG CarMaker
  • AVL InMotion
  • Ableitung von Lastkollektiven

DATENLOGGER

  • Individuell konfigurierbar
  • OBD, GPS, Temperaturen
  • Feuchte, Druck, Schwingungen