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TU Graz beschleunigt Entwicklung von E-Autos mit KI-Tool „OPED“

Dominik Lechleitner, Martin Hofstetter ©Sophie Ortmeier

Auto-Technik. Das neue KI-System „OPED“ kann die Entwicklung von Antriebssträngen für E-Autos deutlich beschleunigen, so die TU Graz. Dafür gab es den deutschen VDI-Ingenieurpreis.

Die neue Methode optimiere das technische Design bezüglich klassischer Ziele wie Kosten, Wirkungsgrad und Platzbedarf und berücksichtige auch die Treibhausgasemissionen über die gesamte Lieferkette, so eine Aussendung der Uni. OPED eigne sich auch für die Optimierung einer ganzen Fahrzeugplattform, indem es Gleichteile in den Antriebssträngen unterschiedlicher Modelle identizifiert. Martin Hofstetter und Dominik Lechleitner vom Institut für Fahrzeugtechnik der TU Graz haben damit u.a. den deutschen VDI-Ingenieurspreis 2024 errungen.

Das Problem

Die Entwicklung von Fahrzeugkomponenten ist ein langwieriger und dadurch sehr kostspieliger Prozess. Für den Antriebsstrang batterieelektrischer Fahrzeuge haben die Forscher der TU Graz eine Methode entwickelt, mit der sich die Entwicklungsphase um mehrere Monate verkürzen lässt, heißt es: Ein Team um Martin Hofstetter vom Institut für Fahrzeugtechnik kombiniert dazu Simulationsmodelle von Bauteilen mit evolutionären Optimierungsalgorithmen.

Entsprechend den technischen Anforderungen der Hersteller optimiere dieses KI-System automatisch den gesamten Antriebsstrang – von der Leistungselektronik über die elektrische Maschine bis hin zum Getriebe – und berücksichtige dabei Ziele wie die Produktionskosten, den Wirkungsgrad und den Platzbedarf im Fahrzeug. Die Softwarelösung OPED (Optimization of Electric Drives) ist eine Entwicklung der TU Graz und laut den Angaben das Ergebnis von knapp zehn Jahren Forschung. Sie sei auch schon bei einem österreichischen Automobilzulieferer erfolgreich im Einsatz.

Was muss das Produkt können

Ausgangspunkt der automatischen Optimierung ist die Eingabe der technischen Anforderungen, die der Antriebsstrang erfüllen muss, darunter:

  • angestrebte Antriebsleistung
  • erforderliche Mindestlebensdauer
  • zu erreichende Höchstgeschwindigkeit
  • der maximal zur Verfügung stehende Platz im Fahrzeug

„Elektrische Antriebe bestehen aus einer Vielzahl an Komponenten, die man ganz unterschiedlich auslegen kann, um die gewünschten Anforderungen zu erfüllen“, erläutert Hofstetter: „Wenn ich an der elektrischen Maschine eine Kleinigkeit ändere, hat das Auswirkungen auf das Getriebe und die Leistungselektronik. Dadurch ist es extrem komplex, optimale Entscheidungen zu fällen.“

Es gibt nicht die eine, perfekte Lösung für einen Antriebsstrang, da die Prioritäten der Hersteller ebenfalls eine Rolle spielen, heißt es weiter. Das können etwa die Produktionskosten, das Gewicht und Volumen des Antriebs oder die Energieeffizienz sein.

Ein Tag statt mehrerer Monate

Mit der Softwarelösung OPED gelinge es, diese Komplexität deutlich zu reduzieren: Ausgehend von den technischen Anforderungen variiere und kombiniere die Software rund 50 Designparameter gleichzeitig und gleiche dabei die simulierten Antriebsstränge mit den Prioritäten der Hersteller ab. Schlechte Varianten werden fallen gelassen, bessere werden weiter optimiert.

Nach einigen Hunderttausend Berechnungs- und Simulationszyklen findet OPED Lösungen, die den Prioritäten der Hersteller am nächsten kommen. Diese können dann aus einer überschaubaren Menge an Varianten diejenigen auswählen, die sie im Detail weiterentwickeln und implementieren möchten. „Wofür Ingenieur:innen ohne KI-Unterstützung Monate benötigten, gelingt mit OPED an etwa einen Tag“, so Hofstetter. Dadurch können sich die Entwicklungsteams auf Top-Level-Entscheidungen fokussieren, anstatt ihre knappe Zeit in manuelle Rechen- und Simulationsarbeit zu investieren, erläutert der Forscher.

Nicht nur ein Auto, eine Plattform

Zudem könne das OPED-System flexibel erweitert werden. So haben die Forschenden als Optimierungskriterium die CO2-Emissionen ergänzt, die bei der Nutzung sowie bei Produktion des Antriebsstrangs über die gesamte Lieferkette hinweg entstehen. Dadurch werde Nachhaltigkeit bereits in der frühen Entwicklungsphase berücksichtigt. Als jüngste Neuerung ist es Dominik Lechleitner im Rahmen seiner Dissertation gelungen, OPED für die Optimierung elektrischer Antriebe einer ganzen Fahrzeugplattform zu erweitern: Die Methode helfe dabei, optimale Bauteile zu finden, die als Gleichteile in den Antriebssträngen unterschiedlicher Modelle einer Plattform Anwendung finden können, um so Entwicklungs- und Produktionskosten zu sparen.

Preise erhalten, Partner gesucht

Der OPED-Ansatz sei vielfältig für unterschiedlichste Produktentwicklungen einsetzbar, nun sei man gern bereit, ihn mit neuen Industriepartnern an deren Herausforderungen und Ziele anzupassen, heißt es bei den TU Graz-Forschenden. Martin Hofstetter und Dominik Lechleitner wurden für ihre Entwicklung vom Verein Deutscher Ingenieure mit dem VDI Preis 2024 ausgezeichnet. Hofstetter erhielt zudem die Kamm-Jante-Medaille der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Kraftfahrzeug- und Motorentechnik (WKM) sowie den 1. Preis der Fahrzeugverband-Jubiläumsstiftung, verliehen durch den Fachverband Fahrzeugindustrie der Wirtschaftskammer Österreich.

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