STRATEGISCHES ENTWICKELN DURCH EIN TRIZ ... - Leibniz … · Methode als Ungleichung zu sehen und nicht als Gleichung. Zentrum ist IER Beschreibung Kreise sind Zeithorizonte, Farbige

STRATEGISCHES ENTWICKELN DURCH EIN TRIZ-BASIERTES VORGEHENSMODELL DIPL.-ING. REINHARD SCHMID PROF. DR.-ING. THOMAS VIETOR 21. LEIBNIZ-CONFERENCE OF ADVANCED SCIENCE │ SCHLOSS LICHTERWALDE │ 24.11.2016

2 Konzernforschung | Fahrzeugtechnik | Leichtbau + Strukturoptimierung | Reinhard Schmid

AGENDA

• Problemstellung und Herausforderung Batterieintegration

• Situationsanalyse und Zieldefinition

– Herausforderung Strategisches Entwickeln

• Modellbildung und Vorgehensmodell

zum strategischen Entwickeln

• Generation von Lösungsprinzipien

• Bewertung der Batterieintegrationskonzepte

• Exemplarische Vorstellung Lösungsidee

Meta-Algorithm of Invention (MAI) T-R-I-Z

Quelle: Orloff, 2012, Modern TRIZ, S.58

System analysis

Ideal result

Reducing

Models of IFR,

contradictions

and resources

Inventing

Models and patterns

of inventions,

Ideas generating

Analysis of

the idea

Zooming

Situation analysis,

targeting

Trend

Problem Idea

Bank

of the

samples

cycle


PROBLEMSTELLUNG UND HERAUSFORDERUNG BATTERIEINTEGRATION

• Besondere Herausforderung

• Vergleich Traktionsbatterie zu Kraftstofftank: ~ 500% Masse und ~ 600% Volumen bei ¼ - ½ der Reichweite (Marktstudie Serienfahrzeuge)

• Erweiterte mechanische Beschädigungsformen:

• Intrusion, Deformation, Beschleunigung

• Zielkonflikt Reichweite vs. Crashsicherheit

• Reichweite: Maximierung Energiedichte und Volumen von Traktionsbatterien Minimierung Verbrauch (d.h. Massereduzierung,…)

• Sicherheit: Maximierung Schutz (Deformationszonen erforderlich => Massezuwachs)

ENERGIEDICHTE UND CRASHSICHERHEIT

Neue Batterieschutzkonzepte!

Lateral Pole Crash 75° / 32 kph Frontal Crash 40% / 64kph

Frontal Crash 30° / 50 kph MDB Side 27° /

54kph

Rear Crash 50% / 55 kph

Frontal Crash 100% /

56kph

Rear Crash 70% / 80kph

> % <= %

0 0

0.02 0.02 0.05

0.05 0.1

0.1 0.2

0.2 0.5

0.5 1

1 5

5 10

10 20

20 30

30 50

50 100

Colour

Quelle: Justen et al .‘Crash safety of hybrid- and battery electric vehicle’


PROBLEMSTELLUNG UND HERAUSFORDERUNG BATTERIEINTEGRATION

• Besondere Herausforderung:

• Ca. alle 18 Monate neue Zellen schneller als Karosserieentwicklung

• Künftige Zellen mit größerer Energiedichte (NMC811)

• Zeitspanne Batterieentwicklung vs. Zeitspanne Karosserieentwicklung

• Laufend neue Batterien im Fahrzeug (Fortschritt bei Energiedichte, Zellsicherheit, Alterung,…)

• Modellpflege: neue Batterie bei „Facelift“

• Anpassung an neue Eigenschaften und Grenzwerte?

RASANTE BATTERIEENTWICKLUNG

Quelle: K-EFA „Herausforderungen E-Mobilität“

2. Mobilitätsforum der Landesinitiative Mobilität Niedersachsen;

Dr. Tobias Lösche-ter Horst; 2015-06-10

Integrationsoptimierung: Schnittstelle zwischen Batterie und Karosserie als Schlüssel!


HERAUSFORDERUNG STRATEGISCHES ENTWICKELN

Abstraktionsphase

Herausforderung Teilsystemrevolution

Generelle Herausforderung von Entwicklungssprüngen und inkrementellen Innovationen

Funktionale Betrachtung der Basisfunktionen mit Blackbox nach VDI 2222

Unterschiedliche Größen

SYSTEMKOMPLEXITÄT UND INTEGRATION VON TEILSYSTEMEN

Fuel tank Traction

battery

Illustration

Mass 50-100 [kg]

~100 [%]

250-500 [kg]

~500 [%]

Volume 0.05-0.1 [m³]

~100 [%]

0.3-0.6 [m³]

~600 [%]


HERAUSFORDERUNG STRATEGISCHES ENTWICKELN

Weiterentwicklung von:

Anforderungen

Reichweite

Sicherheitskriterien

Eigenschaften

Energiedichte Traktionsbatterie

Grenzwerte mechanische Beschädigungswerte

Intrusion

Deformation

Beschleunigung

Unterschiedliche Batterietechnologien benötigen unterschiedliche Integrationskonzepte

ERFINDEN FÜR UNTERSCHIEDLICHE ZUKUNFTSHORIZONTE

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

100

110

120

130

0 10 20 30

Schematische Darstellung resultierender Energiedichten basierend auf zulässigen Deformationen

Result. Energiedichte A

Result. Energiedichte B

Energiedichte A

Energiedichte B

zul. Defo. A [sek]

zul. Defo. B [sek]


PROBLEMLÖSUNGSSUCHE

• Versuch und Irrtum

• Zufällig und Richtung TV

• Brainstorming

• Weitere Anknüpfungen

• TRIZ

• Metaebene

• Lösungsprinzipien bewirken Richtungssprünge

• Erweiterung mit Prognosefunktion

• Verschieben von Grenzen

• Zukünftige Entwicklungen

• Denken in Varianten aus Systems Engineering

Darstellung basierend auf Altschuller

Neu: Lösung in die Mitte. Neben idealem Endresultat auch

derzeitig möglichen Lösungen (Verbesserungen) (Funktionale

Methode als Ungleichung zu sehen und nicht als Gleichung.

Zentrum ist IER

Beschreibung Kreise sind Zeithorizonte,

Farbige Bereiche sind Verbesserungen

Bekannte Darstellungsweise mit Versuch und Irrtum,

Brainstorming, TRIZ (Effekt Metaebene, Effekt

Standartlösungen)

Ich: Ideale Welt super, real: Denken in Varianten dazu, Bereiche

aufspüren, Trandfunktionen je nach Bereich (Robustheit und

Potential) entscheidung für weiteres Vorgehen.

Pröblemlösen basierend auf Altschuller 1973, Orloff 2002, Zobel 2007

Ideale Lösung

Trägheitsvektor

Lösungssuche

Aufgabe

Teilsystemlösungen

Technische Hindernisse

Abstraktion

Metaebene

Konkretisierung

Prognose

Teilsystemlösungen

Grenzen


VORGEHENSMODELL

Detailkonzepte

Gesamt-konzepte

Prinzipien

Problem

A B C

1 2

X Y

Lösung

3 4

Quelle: Haberfellner 2015, Systems Engineering: Denken in Varianten

Konzeptfindung

Konzeptbewertung

System Analysieren

Physikalische Unterschiede Teilsysteme

Widerspruchsorientiertes Erfinden (TRIZ)

Trendbewertung Anforderungen und

Teilsystem

Zeitliche Bewertung

Potentialkatalog Konzepte


ABGELEITETES VORGEHENSMODELL

Konzeptempfehlung

• Kraft, Intrusion, Beschl.

• Zusammenfassung

Batterien Zukunftsszenario

• Energiedichte

• mechanische Grenzwerte

Fahrzeug Zukunftsszenario

• Karosserieart

• Crashanforderungen

Sicherheitskonzepte

Batterieintegration

• Einzelkonzepte

• Kombinationen

Eingangsfunktionen

analysieren

Entwicklung von Batterie

Schutzprinzipien

Ausgabe

Konzeptempfehlung

Konzeptbewertung

• Mehrkörpersimulation

(MKS) Modell-Ebene

• Mehrkörpersimulation

(MKS) Fahrzeug-Ebene

• FEM Simulation

Batterie unter Sitzen

• FEM Simulation

Unterflurbatterie

Bewertung durch

vergleichende Analyse


KONKRETISIERUNG BATTERIEINTEGRATION BATTERIEVERSCHIEBUNG – DEFORMATIONSRAUM BEIDSEITIG NUTZEN – VOLUMEN MAXIMIEREN Pre Crash Leichter Crash Blockbildung Auslegungsgrenze Überlast Auslegungsgrenze – Volumengewinn durch Anbindungsvariation

Starre Anbindung

Stand der Technik

Strukturverstärkung Schweller

Entwicklungsfokus

Deformationsbox Verschiebung

Vorausgegangene Untersuchungen der Forschung

Elastische Verschiebung

Zukunftskonzept

Deformation

Geringere Deformation (Steifigkeit)

Geringere Deformation (Energieumwandlung)

Batterieverschiebung (Lastpfad auf Batterie)

Blockbildung

Belastungspeak

Deformation

Blockbildung

Belastungspeak auf reduziertem Energieniveau


Blockbildung

Belastungspeak

Deformation

Belastungspeak auf reduziertem Energieniveau

Batterieverschiebung nach Belastungspeak


Blockbildung

Belastungspeak

Blockbildung

Belastungspeak

Blockbildung

Belastungspeak

Blockbildung

Progressiver Anstieg vor Belastungspeak

Blockbildung

Belastungspeak

Blockbildung

Belastungspeak

Zusätzliches Batterievolumen

Blockbildung + Belastungspeak

Zusätzliches Batterievolumen

Blockbildung + Progressiver Anstieg vor Belastungspeak

Schematischer Schnitt YZ-Ebene


VERGLEICHENDE UNTERSUCHUNG - Y VERSCHIEBUNG KOMBINIERT MIT (VORGESPANNTEN) FEDERELEMENTEN • Kurzzeitiger Energiespeicherung in Federelementen um Kraftverläufe zu glätten

• Zusätzlich Lastpfad über Batterietrog


VERGLEICHENDE UNTERSUCHUNG - Y VERSCHIEBUNG KOMBINIERT MIT (VORGESPANNTEN) FEDERELEMENTEN • Kurzzeitiger Energiespeicherung in Federelementen um Kraftverläufe zu glätten

• Zusätzlich Lastpfad über Batterietrog


Reduktion der Kontaktkraft um bis zu 49%

Erhöhung der Batteriebeschleunigung um 13% jedoch unter 60g und anderer Zeitpunkt

Fahrzeugintrusion sinkt um bis zu 33%

Sekundäre Beschleunigungsspitze ist bedeutsam für die Optimierung

VERGLEICHENDE UNTERSUCHUNG - Y VERSCHIEBUNG KOMBINIERT MIT (VORGESPANNTEN) FEDERELEMENTEN


KONKRETISIERUNG BATTERIEINTEGRATION

Variante: Starre Anbindung Deformationselemente Federanbindung

Simulation:

Kraft auf Batterietrog:

Fahrzeugintrusion:

Batteriebeschleunigung:

0 20 40 60 80 100 120 140

Time [ms]

0

Y-D

isp

l.

[mm

]

+ ++

+

++ ++

- 0 20 40 60 80 100 120 140

Time [ms]

0

Y-D

isp

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]

0 20 40 60 80 100 120 140

Time [ms]

0

Acce

lera

tio

n

[g]

0 20 40 60 80 100 120 140

Time [ms]

0

Fo

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0 20 40 60 80 100 120 140

Time [ms]

0

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N]

BATTERIEVERSCHIEBUNG – DEFORMATIONSRAUM BEIDSEITIG NUTZEN – VOLUMEN MAXIMIEREN



Reduktion des Kraftpeaks

durch Verschiebbarkeit

In Y-Richtung

ÜBERLASTSCHUTZ DURCH SOLLBRUCHSTELLE


Deformationsraummaximierung in Y Verschiebbar in Y

Verschiebung entlang rohbaufeste Querträger durch Querträger des Batterietrogs


WIDERSPRUCH: BATTERIETROG VERSCHIEBBAR + BEITRAG ZUR BIEGE- UND TORSIONSSTEIFIGKEIT


ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Anwendungsebene

• Strategisches Erfinden liefert Konzepte mit Potential zur Volumenmaximierung der Traktionsbatterie und folglich Reichweitensteigerung

• Integrationsansatz ermöglicht austauschbare Traktionsbatterien

Metaebene

• Vorgehensweise zur Teilsystemrevolution adressiert steigende Systemkomplexität

• Kombination von TRIZ und Systems Engineering eröffnet systematisches Erfinden im Produktentwicklungsprozess

• Trendfunktionen ermöglichen zusätzliche Dimension für Konzeptauswahl

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FRAGEN, ANREGUNGEN UND DISKUSSION

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