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Entwicklungskonzepte für Elektroautos

In dreieinhalb Jahren von Null auf Hundert

Entwicklungskonzepte für Elektroautos

Vor dreieinhalb Jahren lief das Elektromobilitätsprojekt 'Streetscooter' an. Dafür wurde eine Entwicklungsumgebung geschaffen, die mit Engineeringdaten von unterschiedlichen Systemen umgehen kann und die die effiziente Entwicklung von Fahrzeugvarianten unterstützt. Im Ergebnis entstand eine IT-Plattform, mit der rund 80 Partner in etwa der Hälfte der konventionell üblichen Zeit und zu einem Zehntel der Kosten ein serienreifes Elektrofahrzeug entwickelt haben.



Ein Auslieferfahrzeug für die DHL mit Elektroantrieb wird derzeit in Vorserie gefertigt. Die Montage ist im ehemaligen Bombardierwerk in Aachen untergebracht; im Rahmen einer Testphase werden die Fahrzeuge bereits in Bonn eingesetzt. Bild: PTC

Um wirtschaftlich konkurrenzfähig zu sein, wurde der Streetscooter für den Einsatz innerhalb der ‚Effizienzlücke‘ der urbanen Verkehrsumgebung konzipiert. In diesem Umfeld soll sich der ‚Straßenroller‘ günstiger als Autos mit Verbrennungsmotor betreiben lassen. Entsprechend standen kurze Fahrzeiten mit häufigem Stop-and-go, begrenzte Reichweite von circa 120 Kilometern, geringe Höchstgeschwindigkeit und hohe Schadstoffauflagen als Anforderungen an das Fahrzeug im Fokus. Diese Ziele wurden beim ersten serienreifen Modell, einem Nutzfahrzeug für Postauslieferungen der DHL, das sich zurzeit in der Testphase befindet, erreicht. Mit dreieinhalb Jahren konnte dabei die Entwicklungszeit üblicher Automodelle halbiert und der Kostenaufwand mit 30 Millionen Euro auf ein Zehntel des marktüblichen Aufwandes reduziert werden. Professor Dr. Achim Kampker, Geschäftsführer der Streetscooter GmbH und Inhaber des Lehrstuhls für Produktionsmanagement am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) an der RWTH Aachen, erläutert: „Derartig anspruchsvolle Vorgaben erforderten nicht nur eine von Grund auf neue Vorgehensweise bei der Technologie, sondern beim gesamten Geschäftsmodell Auto.“ Der Technologieansatz umfasste damit nicht einfach den Austausch des Antriebsstranges eines konventionellen Modells, sondern die Konzeption eines völlig neuen Autos. Das Fahrzeug wurde „auf das Wesentliche reduziert, um die Batterie herum gebaut“, wie Kampker erläutert.

Variantenentwicklung nach dem Baukastenprinzip

Grundlage der Struktur des Streetscooter ist das Baukastenprinzip: Die modulare Produktarchitektur soll sicherstellen, dass sich das Elektroauto für die Stadt kontinuierlich erneuern und rekonfigurieren lässt. Dazu wurde das Fahrzeug in neun ‚lead-engineering-groups‘ (LEG) eingeteilt, darunter Karosserie, Thermomanagement, Antriebsstrang, Batterieentwicklung, Bordnetz und nicht zuletzt die LEG Gesamtfahrzeug. Für diese Kompetenzfelder wurden Partner geworben, von denen zehn als Gesellschafter zusammen mit dem WZL die Streetscooter GmbH gründeten. Dabei konnten die Partner ihr existierendes Produkt-Know-how in das Projekt einbringen. Produkt und Prozesse sollten möglichst parallel und komplett für den gesamten Produktlebenszyklus entwickelt werden. Dies sollte auch das Netzwerk an Zuliefer-Partnern einschließen, deren Arbeitsmittelpunkt zwar Aachen ist, die aber nicht zentralistisch gesteuert werden sollten. „Um das hierzu notwendige Kommunikationsmanagement der Daten und Prozesse in den Griff zu bekommen, haben wir sehr früh auf PTC gesetzt und als strategischen Partner mit ins Boot geholt“, schildert Kampker. Der Funktionsumfang der Product Lifecycle Management-Lösung (PLM) Windchill und der CAD-Plattform Creo des Anbieters versprach, die Anforderungen zu erfüllen.

Konsistente Modelle für kundenspezifische Derivate

Die Software wird im Rahmen des Projektes zum Beispiel für die Erstellung des Basiskonzeptes sowie die modulare Produktentwicklung, die Kollaboration zwischen den Projektbeteiligten, für vorlagerte Produktanalysen, Fertigungsprozess-Management sowie das Service Lifecycle Management eingesetzt. Um Fahrzeug-Derivate mit immer geringerem Aufwand entwickeln zu können, war die Fähigkeit der PLM-Plattform entscheidend, konsistente, mathematisch eineindeutige Modelle bereitstellen zu können. Dabei sorgt das zentrale Repository der Lösung als ’single source of truth‘, auf welche der Anwender weltweit über Browser zugreifen kann, dafür dass nur eine ‚Datentonne‘ existiert, die den gültigen Stand der sich in Entwicklung, Produktion oder Service befindlichen Bauteile abbildet. Das vermeidet Versions- und Geometriekonflikte und bildet die Grundlage für Versions- und Change-Management. Da anders als bei vielen OEM-Zulieferer-Beziehungen die Streetscooter-Partner Know-how auf ihren Autorensystemen mitbrachten, stand der PLM-Anbieter – zugleich Mitglied der LEG Gesamtfahrzeug – in der Pflicht, eine Infrastruktur aufzusetzen, um die Partner mit ihren unterschiedlichen Systemen wie NX, Solidworks, Catia oder Creo zu integrieren. Die Konsolidierung erfolgt in der Software-Umgebung mithilfe der Multi-CAD-Designwerkzeuge der CAD-Lösung des Anbieters. Bei der folgenden Einbindung der Partner in ihre LEG-Entwicklungsprozesse erhielt jeder Anwender einen abgesicherten Arbeitsbereich und die LEGs entsprechende Projekträume, um eine VPN-gesicherte Kollaboration zu ermöglichen. Anschließend wurde die Struktur in den Kontext einer modularen Produktarchitektur überführt.

„Das war ein Meilenstein, denn das versetzte uns in die Lage, sehr schnell neue Fahrzeugvarianten ableiten zu können“, erklärt Markus Hannen, technischer Direktor bei PTC und mitverantwortlich für das Projekt in der Startphase. Der erste Prototyp, ein dreisitziges Modell namens Compact, war bereits nach einem Jahr fertig und wurde auf der Automobilausstellung IAA 2011 in Frankfurt gezeigt. Wenig später erfolgte eine Anfrage der Post nach einem Elektrofahrzeug für Auflieferungen. Gemäß den Anforderungen für ein Nutzfahrzeug wurde die Modularchitektur nun um eine Plattformarchitektur erweitert. Der Prototyp des Kastenwagens der Post war bereits auf der IAA Nutzfahrzeuge 2012 in Hannover zu sehen. Für die angelaufene Produktion der Test-Fahrzeuge wurden die Fertigungsprozesse, ebenfalls im Kontext der modularen Produktstruktur, in die PLM-Anwendung integriert. „Mit der OEM-Zuliefer-Umgebung haben wir ein Konzept etabliert, bei dem die Struktur der Träger aller relevanten Informationen ist und in einer Art modularer Wissenssynthese das integrale Basiswissen über das Produkt bereitstellt.“, schildert Hannen. Es sei jetzt auch relativ einfach, das Ausscheiden eines Zulieferers und dessen Neuaufnahme im Netzwerk auszubalancieren und etwa Implikationen für Kosten oder Compliance zu ermitteln. Ein weiterer wichtiger Punkt zur Erreichung der Effizienzsteigerungen sei, dass mit dieser Struktur die Zusammenführung der parallel laufenden Kreativprozesse zum vollständigen Fahrzeug zeitlich im Entwicklungsprozess nach vorn verlagert werden kann. So könne ein funktionsfähiges Produkt zu beliebigen Zeitpunkten abgeleitet werden, während das generische Produkt weiterentwickelt werde.

Optimierung des Fahrzeugs zu einem frühen Zeitpunkt

Im Sinn einer ganzheitlichen Erstellung des Produkts mit einem vollständigen Product Lifecycle-Management wird als nächster Schritt das SLM-Modul mit Servicedienstleistungen wie Montageanleitungen, Handbüchern, aber auch der Rückkopplung von etwaigen Qualitätsproblemen integriert. Die direkte Rückführung der Schadenswerte der Teile, der sogenannte ‚closed loop of quality‘, hilft zu einem frühen Zeitpunkt bei der Optimierung des Fahrzeugs und kann so zur Kundenzufriedenheit beitragen. Ein Beispiel, auf welche Weise der Servicegedanke mittels der Schadensstatistik bereits im ersten Modellentwurf Eingang gefunden hat, geben die dreigeteilten Stoßstangen des Streetscooters: Wegen der im Stadtverkehr häufig vorkommenden Rangiermanöver sind die Ecken der Stoßstangen anfällig für Kollisionen. Kommt es zu einem Schaden, so lässt sich durch die Teilung der betroffene Stoßstangenbereich einzeln auswechseln. Geschäftsführer Kampker sieht das Streetscooter-Projekt auf einem guten Weg und im vorgegebenen Zeitrahmen. Der aktuelle Status quo zeige ein Modell in Vorserie, das noch 2014 in einer Größenordnung von 3.000 Stück im Jahr in Serie gehen soll. Parallel dazu werden zwei Derivate in die Vorserie geführt: das dreisitzige Modell ‚Compact‘ und das ‚Pedelec‘ – ein E-Bike, in dessen Entwicklung auch die Anforderungen der DHL an die Briefzustellung einflossen. Die Montage der Vorserienmodelle erfolgt mit circa 40 Mitarbeitern in einem ehemaligen Werk von Bombardier in Aachen.