Ermittlung des aerodynamischen Drucks von Elektrofahrzeugen – Validierung am Fahrzeug

Ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der Leistung und Reichweite eines neuen Elektroautos für die Straße ist das Verständnis seiner aerodynamischen Leistung. Dies hat enorme Auswirkungen auf die Fahrdynamik und letztendlich auf die „All Electric Range“, die mit einer einzigen Ladung erreicht werden kann.

Hauptanwendungen sind die Fahrzeugaerodynamik, bei der Sie den Luftwiderstand oder den Windwiderstand des Fahrzeugs bewerten und die Aerothermie des Fahrzeugs, bei der Sie sicherstellen, daß Batterien und Motoren immer innerhalb ihres optimalen Betriebsfensters sind.

Der Fahrzeugwiderstand ist ein wesentlicher Faktor bei der Bestimmung der Leistung und Reichweite, die ein Auto zurücklegen kann. Jeder Widerstand, der dem Auto entgegenwirkt, wirkt sich direkt auf die Kilometerleistung aus, die das Auto erreichen kann und führt außerdem zu Turbulenzen, Stößen, Geräuschen und Einschränkungen im Fahrerlebnis.

Aufgrund der zunehmend restriktiven Vorschriften länderspezifischer Zulassungen ist es die Aufgabe des Aerodynamikers, Leistungsvorteile durch genauere Messungen und Analysen zu erzielen – und zwar besser als der Wettbewerb. Innovation und Experimentierfreude erreichen ihren Höhepunkt in einem sich schnell verändernden und hart umkämpften Markt, in dem der Verbraucher eine schnelle Weiterentwicklung der Produkte erwartet. Die besten Aerodynamiker werden daher sehr geschätzt und respektiert.

Beim Exterieurdesign geht es darum, das Auto gut aussehen zu lassen und das Markenimage des Unternehmens zu repräsentieren. Die Bedeutung der Oberflächen zwingt den Aerodynamiker jedoch zunehmend dazu, jedes noch so kleine Teil zu berücksichtigen, um den Luftwiderstand zu reduzieren und die Batteriereichweite zu erhöhen. Die Rolle des Aerodynamikers in der Elektrofahrzeugindustrie wird mit der Einführung großer Veränderungen im Antriebsstrang von Fahrzeugen immer wichtiger.

Der Aerodynamiker verfügt im Großen und Ganzen über drei Werkzeuge in seinem „Werkzeugkasten“, um Ideen in die Realität umzusetzen und die Leistung zu messen: CFD, den Windkanal und reale Messungen am Auto.

CFD (Computational Fluid Dynamics) ist oft der erste Schritt, um die in Frage kommenden Optionen zu den niedrigsten Kosten einzugrenzen – aber es gibt nicht die ganze Geschichte wieder! Anhand von CFD ermittelt der Ingenieur die „besten“ Designkonzepte und erstellt maßstabsgetreue Modelle für Windkanaltests dieser Designs. In einer streng kontrollierten und bekannten Umgebung arbeitet der Ingenieur methodisch an Lösungen, die letztendlich im Serienfahrzeug zum Einsatz kommen. Leistungsstarke Druckscanner zeichnen sich bei diesen Windkanalmessungen aus und liefern sensible, genaue und schnelle, synchrone Daten für die weitere Analyse.

Wenn CFD und Windkanal Vertrauen in und Beweise für das Konzept erbracht haben, wird das neue Fahrzeugteil im Originalmaßstab hergestellt und in das Auto eingebaut. Jetzt werden die abschließenden Straßen- oder Rennstreckentests durchgeführt, um sicherzustellen, daß es unter realen Bedingungen und im Zusammenspiel mit dem gesamten Fahrzeug tatsächlich eine Leistungsverbesserung bietet.

Im Windkanal ist die Instrumentierung hochsensibel, genau und reaktionsfähig und die Messungen entstehen unter relativ gleichbleibenden und wiederholbaren Bedingungen. Allerdings sind Messgeräte, die im Wingkanal genutzt werden in der Regel zu teuer, groß, schwer und nicht robust genug für den Einsatz bei Fahrversuchen im Auto, wo Vibrationen, Lärm sowie Temperatur- und Umgebungsdruckschwankungen auftreten. Es ist eine miniaturisierte und robuste Messung erforderlich. Die ideale Lösung ist ein verteiltes Messsystem, das die Messungen in die Bereiche bringt, die von Interesse sind.

Traditionell erforderten die Messungen an aerodynamischen Oberflächen am Auto lange Druckschläuche, die mit den zentral montierten Scannern verbunden waren. Diese langen Schläuche waren schon immer anfällig für Einklemmungen und Knicke. Durch das zusätzliche Volumen im Schlauch entstehen Ungenauigkeiten im Frequenzgang und es kann selbst zu einer aerodynamischen Störung werden. Eine möglichst kurze Röhrenlänge und damit ein möglichst kleines Luftvolumen bringt einen erheblichen Vorteil im Frequenzgang sowie in der gesamten Messleistung und -genauigkeit mit sich, insbesondere in Verbindung mit einer Echtzeitkorrektur atmosphärischer Veränderungen. Es war ein neues Konzept erforderlich, das den Scanner zum Messpunkt bringt und dabei Gewicht und Entfernung minimiert.

Anders als in einem Rennwagen können die an Elektrofahrzeugen beobachteten Druckniveaus sehr gering sein und leicht durch Änderungen des Luftdrucks beeinflußt werden, was zu verfälschten Daten über Leistungsverbesserungen führt. Daher war eine Lösung erforderlich, die nicht nur Änderungen des Luftdrucks in Echtzeit misst, sondern auch empfindlich genug ist, um sehr kleine Druckänderungen zu erkennen, die durch ein relativ langsam fahrendes Fahrzeug verursacht werden.

Der Druckscanner EvoScann® P8D wurde entwickelt, um die direkte Messung des dynamischen Drucks zu ermöglichen und gleichzeitig in Echtzeit Offsets zu eliminieren, die durch Änderungen des Luftdrucks verursacht werden: ein echtes Differenzdruckmessgerät.

Aufgrund seiner geringen Größe und seines geringen Gewichts kann es an vielen verschiedenen Positionen im Fahrzeug montiert werden, um hochpräzise, vollständig digitale Daten an den nächstgelegenen CANbus-Knoten zu übertragen. Jeder Druckkanal ist temperaturkorrigiert, um bei wechselnden Bedingungen optimale Genauigkeit zu gewährleisten.

Mehrere EvoScanns können über oder sogar innerhalb der wichtigsten aerodynamischen Oberflächen montiert werden, um reale Daten zu sammeln, die direkt über das Auto oder ein externes CANbus-Protokollierungssystem erfasst werden. Der EvoScann® wird effektiv Teil der Fahrzeuginfrastruktur.

Basierend auf den Anforderungen an niedrigere aerodynamische Drücke, die bei Straßenfahrzeugen im Gegensatz zu Rennwagenentwicklungen auftreten, hat Evolution Measurement sein Produkt mit kleineren Messbereichen und höherer Empfindlichkeit weiterentwickelt, sodass eine 20-mbar- oder 100-mbar-True-Differentialmessung möglich wurde und eine Genauigkeit von 0,1 % des Skalenendwerts erreicht wurde Dies ist der einzige Scanner dieser Größe, der diese Art Messung und Genauigkeit ermöglicht.

Die Kombination von Hochleistungs-Druckscannern mit anderen Instrumenten wie kundenspezifischen Mehrlochsonden oder Rake-Arrays bietet einen ganzheitlichen Überblick über das aerodynamische Verhalten eines Fahrzeugs und unterstützt den Aerodynamiker bei der ständigen Suche nach einem Wettbewerbsvorteil.