Innovative Fahrzeug­konzepte für morgen

Zur Lösung der drängenden Zukunftsfragen rund um die Mobilität will das renommierte Grazer Forschungszentrum «Virtual Vehicle» beitragen. Die Forscher aus Österreich haben sich in der internationalen Fahrzeugindustrie die Reputation eines einzigartigen Entwicklungspartners mit Gesamtfahrzeugverständnis erworben. Die Kompetenz des Grazer Forschungs- und Entwicklungszentrums umfasst, aufbauend auf der Entwicklung der Komponenten von zukünftigen Fahrzeugkonzepten und dem Leichtbau, insbesondere die effiziente Gesamtfahrzeugentwicklung von reinen E-Fahrzeugen über Hybrid- und Wasserstofflösungen bis hin zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Beispiele aktueller Forschungsschwerpunkte des Zentrums sind leistbare Mobilitätskonzepte, eine möglichst effiziente Fahrzeugentwicklung und integrierte Sicherheit.

Industrie und Forschung

Das «Virtual Vehicle» schafft eine effiziente Brücke zwischen universitärer Forschung und industrieller Entwicklung. Möglich wird dies durch die enge Kooperation mit erstrangigen Universitäten (allen voran mit der Technischen Universität Graz als grössten und bedeutendsten wissenschaftlichen Partner) und führenden Industrieunternehmen. Basierend auf der staatlich langfristig geförderten Spitzenforschung ist eine international anerkannte Forschungseinrichtung mit 190 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern am Standort Graz entstanden. Gemeinsam mit der Industrie wird die Entwicklung der Fahrzeugkonzepte von morgen vorangetrieben. In Kooperation mit dem wichtigsten wissenschaftlichen Partner TU Graz steht dafür eine breite und an einem Standort konzentrierte Test- und Prüfstand-Infrastruktur zur Verfügung.

Leistbare Mobilität

«Neue Fahrzeugkonzepte müssen sicher, effizient und leistbar sein, und zwar für Mensch, Industrie und Umwelt», sagt Dr. Jost Bernasch, Geschäftsführer des «Virtual Vehicle». «Und darüber hinaus müssen sie dem individuellen Mobilitätsbedarf des Menschen entsprechen. Auch für die Fahrzeugindustrie muss sich diese Entwicklung leistbar darstellen. Mehr noch: Neue Mobilität generell muss im übertragenen Sinne auch sozusagen leistbar für die Umwelt sein in Bezug auf Ressourcenverbrauch und Emissionen.» Mit diesem dreifachen Anspruch bauen die Grazer Wissenschafter ihre Mobilitätskonzepte auf und liefern zusammen mit ihrem Partner-Netzwerk von Kanada bis Korea Lösungen für die Mobilität von morgen. Die Entwicklungen sind bedeutungsvoll. Hier einige Beispiele:

Batterie und Sicherheit

Im Bereich der Komponentenentwicklung erforscht «Virtual Vehicle» in mehreren Projekten den Anwendungsbereich von Batteriesystemen in E-Fahrzeugen. Bei einem der Projekte werden in Zusammenarbeit mit AVL List, TU Graz, Volkswagen und Westfälische Wilhelms-Universität Münster diverse Batteriemodelle hinsichtlich Kosten und Lebensdauer untersucht. Ein weiteres Projekt behandelt die Sicherheit von E-Fahrzeugen. Gemeinsam mit der TU Graz erforscht «Virtual Vehicle», wie Batteriesysteme betriebssicher ausgelegt werden müssen, um gemäss ISO-Norm 26262 die funktionale Sicherheit im Fahrzeug zu gewährleisten.

Plug-in Hybrids

Das grosse «Leuchtturm-Projekt» VECEPT (Vehicle with Cost-Efficient PowerTrain) untersucht die Marktakzeptanz und die Kundenzufriedenheit von sogenannten «Plug-in Hybrids». Das sind Fahrzeuge mit Hybridantrieb, deren Batterie zusätzlich über das Stromnetz extern geladen werden kann. Gemeinsam mit weiteren Projektpartnern aus Österreich plant «Virtual Vehicle» den Aufbau von ein bis zwei Prototypfahrzeugen, welche zusammen mit marktgängigen Modellen umfassend evaluiert und bewertet werden. Das Grazer Forschungszentrum konzentriert sich vor allem auf die technische Bewertung der Fahrzeuge, das Energie-Management, den Komfort und die integrierte Sicherheit sowie den Flottentest. Die Ergebnisse sollen vor allem zeigen, wie ein Plug-in-Hybrid-Fahrzeug international wettbewerbsfähig punkto Reichweite, Komfort und Sicherheit sein kann und dabei trotzdem kostengünstig ist.

Vorteile durch Simulation

Die Fahrzeugentwicklung beschert der Fahrzeugindustrie steigende Kosten. Gründe dafür sind die immer komplexer werdenden Fahrzeuge, die kürzeren Entwicklungszeiten, die zunehmende Anzahl der jährlichen Produktionsstarts neuer Modelle, die gestiegenen Ansprüche der Konsumenten, die härteren Anforderungen aus der Gesetzgebung u.a.m. Besonders die hohe Anzahl an Gesamtfahrzeug-Hardware-Prototypen treibt die Entwicklungszeit und die Entwicklungskosten stark nach oben. Genau hier setzen die Grazer Entwickler an. Mit dem Einsatz von Simulationen wollen sie gegensteuern und den entscheidenden Kosten- und Zeitvorteil in der Entwicklungsarbeit einfahren. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass ein umfassendes Verständnis des Gesamtfahrzeuges vorliegt, also nicht bloss einzelner Baugruppen.

Mit diesem innovativen Konzept der Fahrzeugentwicklung hat sich «Virtual Vehicle» in den letzten Jahren mit grossem Vorsprung an der Spitze etabliert. Das Verknüpfen und Verstehen verschiedener notwendiger Simulationen hat sich mittlerweile als «Königsklasse» der virtuellen Entwicklung erwiesen. Der Hauptvorteil liegt darin, den Bau teurer Hardware-Prototypen zu reduzieren oder gar zu vermeiden. Prof. Hermann Steffan, wissenschaftlicher Leiter von «Virtual Vehicle» bestätigt: «Wir erzielen durch Simulation eine Reduktion der Entwicklungszeit und der Entwicklungskosten und können teure Prototypen vermeiden. Die übergreifenden Fragen in der Simulation beantwortet das Forschungszentrum stets mit dem Gesamtfahrzeugverständnis im Hinterkopf.»

Expertise in Co-Simulation

CAE (Computer Aided Engineering), oder «rechnergestützte Entwicklung» wird in der Fahrzeugentwicklung seit Langem eingesetzt. Die Disziplin «Co-Simulation», also die Verbindung von verschiedenen Simulationen untereinander, ist noch recht jung. «Virtual Vehicle» baut hier auf eine über sechsjährige Erfahrung auf und kann Softwarelösungen wie das sogenannte «ICOS» anbieten. ICOS (Independent Co-Simulation) ermöglicht, verschiedene gängige Simulationswerkzeuge zu integrieren, zu koppeln und vor allem zu synchronisieren. Konkrete Anwendungen von ICOS erzielten deutliche Einsparungen in Bezug auf die Entwicklungszeit und die Kosten. Besonders erfolgreich konnte ICOS beispielsweise bei der Optimierung der Lebensdauer von Batterien in Hybrid-Fahrzeugen eingesetzt werden oder in der Analyse von integralen Sicherheitssystemen.

Integrierte Sicherheit

In der Vergangenheit wurden unfallvermeidende Massnahmen (das ist aktive Sicherheit) und unfallfolgenmindernde Massnahmen (das ist passive Sicherheit) weitgehend getrennt voneinander betrachtet. Damit die Sicherheit aller Verkehrsteilnehmer weiter verbessert werden kann, ist aber eine gesamtheitliche Betrachtung aller Sicherheitsaspekte notwendig. Diese umfassende Sichtweise wird als integrierte Fahrzeugsicherheit bezeichnet. Dr. Jost Bernasch dazu: «Es gilt, das Gewicht der Fahrzeuge und, damit verbunden, den Verbrauch zu reduzieren. Dabei muss vor allem die Sicherheit der Fahrzeuge gewährleistet werden. Überdies bedürfen auch Komfort und Kosten spezieller Beachtung.»

So geht die Entwicklung neuer Fahrzeugkonzepte bei «Virtual Vehicle» Hand in Hand mit einer gezielten Verbesserung der integrierten Sicherheit. Entscheidende Trends wie beispielsweise Leichtbau beeinflussen die Auslegung der Fahrzeuge von morgen sicherheitsmässig markant. Jährlich tauschen in Graz am Fachkongress «Safety Update» rund 100 internationale Experten mit Prof. Hermann Steffan ihre Erfahrungen mit der integrierten Fahrzeugsicherheit aus. 2011 waren neben Teilnehmern von Audi, BMW, Daimler, Opel, Skoda, VW und zahlreichen Sicherheitskomponentenlieferanten auch der Euro-NCAP-Präsident Prof. Andre Seek zu Gast. Erkenntnisse des Kongresses fliessen beim «Virtual Vehicle» direkt in die Entwicklung ein. Insbesondere in die Crashsimulation, die Entwicklungsmethodik beim Seitenaufprall oder in die Kindersitzentwicklung. Steffan unterstreicht die Bedeutung solcher Treffen auf höchster Expertenebene: «In der Tat werden beim SafetyUpdate die Sicherheitsthemen der Zukunft diskutiert. Dieser internationale Austausch beim Kongress und in den laufenden Projekten ist eine wichtige Basis für die Zukunftsforschung am «Virtual Vehicle.»

Leichtbau und Sicherheit

Leichtbau bringt erhöhte Anforderungen mit sich, etwa bei der richtigen Auswahl neuer Materialien, in der Simulation und in der Verbindungstechnologie. Ein beispielhaftes Projekt am «Virtual Vehicle» mit einem der grössten deutschen Premium-Fahrzeughersteller beschäftigt sich mit dem Zusammenspiel von Leichtbau und Sicherheit. Im Fokus steht die Simulation der Verbindungstechnik von Metall mit Faserverbundwerkstoffen. Denn so wie eine Kette beim schwächsten Glied reisst, muss auch beim Materialmix sorgfältig ermittelt werden, wo Schwachstellen liegen und wie Materialien und deren Verbindungen am sinnvollsten auszulegen sind. «Smart Materials» heisst das Stichwort dazu.

Beim Thema Leichtbau erforscht man in Graz zahlreiche weitere Anforderungen an neue Materialien wie beispielsweise Schwingungsreduktion oder Akustik. Ein Projekt mit MAN, AVL List und der Slowakischen Akademie der Wissenschaften untersuchte den Einsatz von Metallschaum und erzielte wesentliche Gewichtseinsparungen sowie eine deutliche Geräusch- und Schwingungsreduktion. In diesem Projekt wurde eine «Multi-Scale»-Methode entwickelt. Diese ermöglicht es, die Eigenschaften der Materialien zu beschreiben. Dadurch konnte eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis in der Entwicklung erzielt werden. Diese innovative Methode kann in künftigen Projekten im Fahrzeugleichtbau auch für Faserverbundwerkstoffe, Sandwich-Materialien und Thermoplaste eingesetzt werden.

Nomen est omen. Das Grazer Forschungszentrum «Virtual Vehicle» erforscht mit 80 Industrie- und 30 wissenschaftlichen Partnern die Fahrzeug-Mobilität der Zukunft.