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Fachartikel aus MECHATRONIK 7-8/2020, S. 43 bis 46

Mentor

Mit digitalen Technologien zu leichteren E-Fahrzeugen

Die Erstellung eines digitalen Zwillings des Produkts und seiner Produktion kann die Herausforderungen bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen lösen, indem die Grenzen zwischen Design und Fertigung aufgelöst und physische Produkt- und Prozessmerkmale mit virtuellen Modellen verschmolzen werden. Ein derart umfassender digitaler Zwilling ermöglicht Herstellern die Planung und Implementierung von Fertigungsprozessen für neue Leichtbaukonstruktionen. Der digitale Zwilling erleichtert auch den Einsatz fortschrittlicher Fertigungstechnologien wie die der additiven Fertigung, was die Entwicklung von Leichtfahrzeugen weiter unterstützt.

Das Fahrzeuggewicht ist in den letzten 30 bis 40 Jahren stetig gestiegen. Es ist das Ergebnis einer jahrelangen Evolution in der Automobilindustrie, mit der sich das Auto von einer relativ einfachen Maschine zu einem hochentwickelten Mix aus mechanischen, elektrischen, elektronischen und Softwaresystemen entwickelt hat. Branchenweit sind Fahrzeuge aller Art schwerer und komplizierter geworden, da eine größere Anzahl an Features und Funktionen entweder durch gesetzliche Regulierung oder Marktnachfrage zum Standard geworden sind.

In Fahrzeugen der Kompaktklasse sind Sicherheitstechniken und Komforteinrichtungen wie Totwinkelüberwachung, Infotainment- und Navigationssysteme oder Sitzheizungen heute normal. Jede dieser Funktionen erfordert zusätzliche Sensoren, elektronische Steuergeräte (ECUs) und elektrische Verkabelungen, um bestimmungsgemäß zu funktionieren. Die Folge all dieser neuen Systeme ist eine deutliche Gewichtszunahme des Fahrzeugs, welche durch den nächsten großen Automobiltrend der Elektrifizierung noch weiter in den Fokus rücken wird.

Elektrofahrzeuge drängen immer mehr auf den Automobilmarkt. Aktuelle Prognosen deuten darauf hin, dass der Verkauf von Elektrofahrzeugen bis 2030 mit dem Verkauf von Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren gleichziehen und diesen bis 2040 überholen wird. Das rasante Wachstum bei der Einführung von Elektrofahrzeugen wird von einer Reihe von Faktoren vorangetrieben, wie staatliche Vorschriften, wachsende Infrastruktur für Elektrofahrzeuge und eine Welle von Investitionen in Elektrofahrzeugprogramme bei Start-ups und etablierten OEMs.

Reichweite und diesbezügliche Besorgnisse der Nutzer hingegen sind weiterhin Faktoren, die einer breiten Akzeptanz von Elektroautos entgegenstehen. Das Problem dabei ist, dass das Fahrzeuggewicht ein entscheidender Faktor für die Reichweite eines Elektrofahrzeugs ist. Das Gewicht eines Objekts steht in direktem Verhältnis zur Energiemenge, die zur Beschleunigung dieses Objekts erforderlich ist. So kann eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 10 % zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs um 6 % bis 8 % führen. Elektrische Antriebe und Batterien haben im Vergleich zum Antriebsstrang herkömmlicher Fahrzeuge ein erhebliches Mehrgewicht. Selbst modernste Batterien mit hoher Energiedichte sind aus Sicht der Energiebilanz weniger effizient als die heutigen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.

Die meisten Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren können mit einer einzigen Tankfüllung mehrere hundert Kilometer zurücklegen. Darüber hinaus erfolgt die Betankung dieser Fahrzeuge in Minuten, nicht in Stunden. Obwohl durch intensive Batterieforschung und -entwicklung die Energiedichte von Batterien ständig verbessert wird, reicht das allein noch nicht aus, um mit herkömmlichen Antrieben gleichzuziehen. Fahrzeughersteller müssen zusätzlich neue Materialien, Fahrzeugarchitekturen und Fertigungstechnologien integrieren, um das höhere Gewicht von Elektroantrieben auszugleichen.

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