Die Geschäftsführer Dr. Peter Ambros und Axel Fezer im Gespräch
mit Alexander Frank und Gerhard Gieschen

Interview mit THESYS

Herr Dr. Ambros, was ist aus Ihrer Sicht der Markenkern von TheSys?

Dr. Peter Ambros: Unsere zentrale Expertise beschreiben wir als „Thermo-Engineering“. Dafür steht auch unser Name „TheSys“, er kommt von „Thermodynamische Systeme“. Unser Anspruch umfasst die Entwicklung praxistauglicher und gesamtheitlich optimierter Lösungen für die sehr individuellen Aufgabenstellungen unserer namhaften Kunden.
Dabei haben wir nicht nur die Funktion der Kühlung und Temperierung, sondern auch die Anforderungen von Fertigung, System-Integration und Wartung im Blick. Je nach Anwendung sind zudem anspruchsvolle Vorgaben der Kunden im Hinblick auf Kosten und Einbauraum, Alterung und Lebensdauer zu erfüllen.
Wir sind erst dann zufrieden, wenn wir eine praxistaugliche Lösung für unsere Kunden gefunden haben. Das schaffen wir durch die sehr hohe Expertise unserer Mitarbeiter in Verbindung mit unseren Simulationsprogrammen und Versuchsanlagen.

 

Können Sie uns dafür ein konkretes Beispiel nennen?

Dr. Peter Ambros: Ja, gerne. In den letzten Jahren haben wir mehrere Kundenprojekte zur Kühlung von Batterien und Elektronikkomponenten im Fahrzeug abgeschlossen. In Batteriezellen und Leistungselektroniken fließen hohe elektrische Ströme und als sicherheitsrelevante Bauteile müssen sie dabei absolut zuverlässig vor einer Überhitzung geschützt werden.
Oft fehlen zu Beginn einer Kühler-Entwicklung tragfähige Zielvorgaben und Randbedingungen, so dass wir auf der Basis unserer Erfahrung eigene Annahmen machen und damit starten. Es gibt auch Fälle, in denen uns der Kunde konkrete Spezifikationen gibt. Wenn wir die Angaben dann in unsere thermische Simulation eintragen stellen wir manchmal fest, dass die angegebenen Bauteil-Temperaturen unplausibel und nicht nachvollziehbar sind. In einem konkreten Projekt führten wir einige Diskussionen, zunächst mit dem Kunden, dann mit dem Hersteller der Leistungselektronik direkt. Das Ergebnis war, dass der Chiphersteller, ein globaler Big Player, seine Produkt-Spezifikationen aktualisiert hat. Daraufhin konnten wir die Angaben in unserer Simulation nachvollziehen und die Simulationsrechnungen durchführen. Für unseren Kunden bedeutete dies, dass sein Serienprodukt nicht auf fehlerhafte Vorgaben hin entwickelt wurde und dadurch wohl Kosten in 6-stelliger Höhe eingespart wurden – vom Zeitverzug ganz zu schweigen.

 

Herr Fezer, die thermodynamische Simulation ist sicher unverzichtbar bei der Entwicklung und Auslegung von neuen Kühlern und Kühlsystemen. Wie gehen Sie üblicherweise vor?

Axel Fezer: Wenn ich das Beispiel von Herrn Ambros aufgreifen darf, so betrachten wir auch bei der Entwicklung einer einzelnen Komponente stets das thermische Verhalten auf unterschiedlichen Simulationsebenen.
Wir beginnen in der Regel auf der Fahrzeug- bzw. Systemebene und ermitteln die technischen Anforderungen für die jeweilige Komponente. Für diese Rechnungen nutzen wir Simulationsprogramme, welche die Abbildung aller Kreisläufe und Kühlluftströme im Fahrzeug erlauben. Oft ergeben sich bei diesen Berechnungen, dass die ausgewählte Pumpe nicht optimal ist oder dass andere Ventile oder Lüfter besser passen. Als Ergebnis erhalten wir die technischen Zielwerte für den zu entwickelnden Kühler, zum Beispiel Leistung und Druckverlust.
An diesen Zielwerten orientiert sich dann die Kühlerentwicklung. Auf Komponentenebene überlegen wir zuerst, welche prinzipielle Bauform zielführend ist. Dabei vertrauen wir auf die jahrzehntelange Erfahrung unserer Mitarbeiter. Wir konstruieren mit CAD ein Konzept und erstellen erste Leistungsprognosen in der Simulation. Ziemlich einzigartig ist dabei unsere Kompetenz, die Kühlerlamellen und Kühlerrohre thermisch richtig zu beschreiben.
Auf der Bauteilebene angekommen, den Lamellen, Turbulenzeinlagen und Rohren, setzen wir unser Simulationsverfahren „TheSim“ ein. Das haben wir selbst entwickelt und es ermöglicht eine sehr schnelle Auswahl der geeigneten Lamellen-oder Rohrgeometrie. Ist die Lamelle definiert, dann bilden wir diese in der dreidimensionalen Strömungssimulation in CFD ab und berechnen detailliert das thermische Verhalten.
Damit gehen wir dann wieder in die CAD-Konstruktion des Kühlers. Mit dem zugehörigen Kühlerkennfeld berechnen wir dann im Fahrzeugmodell die Temperaturen, die sich im Fahrzeug während der Fahrt einstellen werden.
Diese Methode ist für alle Wärmeübertrager einsetzbar.

 

Ändern sich durch die E-Mobilität die Aufgaben für die thermodynamische Simulation? Sind Ihre aktuellen Simulationsmethoden noch einsetzbar oder brauchen Sie neue Tools?

Axel Fezer: Die Aufgaben in der Simulation haben sich in den letzten Jahren grundlegend gewandelt. 2016 hatten wir noch ca. 70% Verbrenner-Themen; aktuell arbeiten wir zu über 90% an der Kühlung von elektrifizierten Fahrzeugen. Insbesondere bei E-Fahrzeugen hat das Thermo-Management – also die Kühlung und Klimatisierung im Fahrzeug – einen großen Einfluss. Batteriezellen müssen gekühlt aber auch beheizt werden, zudem hat die Fahrzeugklimatisierung einen sehr großen Stellenwert. Hinzu kommt, dass alle Fahrgäste ein komfortables Fahrklima genießen wollen, das aber individuell sehr unterschiedlich sein kann. Dafür muss dann die Klimaanlage die einzelnen Sitzplätze völlig unterschiedlich bedienen. Sie können sich vorstellen, dass dies einen sehr großen Einfluss auf die elektrische Reichweite des Fahrzeuges hat.

Für die Simulation ist das eine große Herausforderung. Unsere Simulationsmethoden sind weiterhin einsetzbar. In Anbetracht der steigenden Komplexität der Fahrzeuge entwickeln wir diese ständig weiter und arbeiten vor allem an der Vernetzung des Kühlsystems mit dem Gesamtfahrzeug. Dabei wird die Ermittlung einer effizienten Betriebsstrategie zukünftig eine Hauptaufgabe in der Simulation sein. Es gilt den Fahrkomfort zu steigern und gleichzeitig die elektrische Reichweite zu erhöhen. Da hier alle Fahrzeugsysteme ineinandergreifen und sich die Energieströme alle gegenseitig beeinflussen, haben wir in den letzten Jahren das thermische System mit dem Fahrzeug vernetzt. Das Ergebnis ist ein einziges großes Co-Simulationsmodell, in dem unterschiedliche Simulations-Programme eingebunden sind und die alle Subsysteme im Fahrzeug repräsentieren. Der große Vorteil liegt darin, dass alle Wechselwirkungen in ihren Auswirkungen auf jede einzelne Komponente erfasst werden, was eine genauere Auslegung der Kühlanlage und die Ermittlung von effizienten Betriebsstrategien ermöglicht.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Beschleunigung der Simulation bis hin zu Echtzeitfähigkeit. Würden wir heute in der Fahrzeugentwicklung parallel zu teuren Fahrzeugmessungen im Windkanal oder auf der Straße begleitende Simulationsrechnungen durchführen, könnten Defizite frühzeitig erkannt und gelöst werden. Hier finden auch Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) Eingang. Ich denke, dass dies ein wesentlicher Beitrag sein wird zu einer weiteren Verkürzung der Entwicklungszeiten und Reduzierung der Entwicklungskosten.

 

Das hört sich spannend an! Wie sieht denn das Kühlsystem der Zukunft aus?

Dr. Peter Ambros: Letztendlich wollen wir die Kühlung und Klimatisierung im realen Kundenbetrieb effizienter und komfortabler machen. Sie haben andere Komfortwünsche als ich, jeder unserer Mitarbeiter fährt unterschiedliche Fahrtstrecken zu unterschiedlichen Tageszeiten. Wir alle fahren im Sommer und Winter auf unterschiedlichen Kontinenten, in verschiedenen Klimazonen und bei unterschiedlichsten Verkehrssituationen. Also muss die Kühlanlage zukünftig individuell für jeden Fahrgast, sogar für jede einzelne Fahrstrecke, den besten Betriebsmodus einstellen. Gleichzeitig hat die Senkung des Energiebedarfs, also der CO2-Emissionen, oberste Priorität.

Der Schlüssel für das Kühlsystem der Zukunft liegt zunächst in der Hardware, in effizienten Kreislaufarchitekturen mit fahrzeug-spezifischen Komponenten. Hier sehe ich Kühler aus der additiven Fertigung, die individuell auf das Fahrzeug angepasst sind. Auch neue Integrationen von Einzelkomponenten in sogenannten Kühlungs-Modulen werden Bauraum, Gewicht und Kosten sparen. Auf Software-Ebene folgt dann nochmals eine individuelle, auf die spezifische Fahrt adaptierte Kühlungsregelung, on-board und in Echtzeit. Damit können auch bevorstehende Fahrereignisse wie Stau oder eine aufkommende Gewitterfront erfasst werden. Das Fahrzeug wechselt dann in eine neue Betriebsstrategie, ohne, dass Sie als Passagier hiervon etwas mitbekommen.

 

Wenn ich Ihnen so zuhöre, dann kommt mir mein eigenes Auto ziemlich altbacken vor. Haben Sie mir auch eine Lösung für den Marderbiss, der mich im April 300 € gekostet hat?

Axel Fezer: Vielleicht ist das ja eine Aufgabe für unsere Chemiker: Ein neues Kühlmittel, das dem Marder nicht schmeckt? Allerdings wäre das dann auch blöd, wenn er dafür das Hochvoltkabel anknabbert. Am besten, der Motorraum ist künftig hermetisch geschlossen, wird im Schadensfall nur noch in der Werkstatt geöffnet und der Marder hat keinen Zugang mehr. Von Seiten der Kühlung ist das sicher möglich durch die automatische Früherkennung von Fehlern und den Einsatz von life-time Kühlmitteln. Wir müssen dann nicht mehr ran.

Wir danken für das Gespräch!

Das Interview führte Alexander Frank und Gerhard Gieschen von der MCR Unternehmensberatung GmbH.

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