Merkle & Partner: Sinnvolles Kühl- und Thermomanagement mit Hilfe von Simulationstechnologien

Fliegende Taxis, die autonom Passagiere von A nach B bringen, sind eine nicht allzu ferne Form der neuen Mobilität. Es fehlt – außer gesetzlichen Rahmenbedingungen – nicht mehr viel für die Freigabe dieses Kurzstrecken-Flugverkehrs. Ein wichtiger Aspekt dabei ist das sichere Thermomanagement; von der Kühlung der Hochleistungsmotoren, der Batterien bis hin zur Kabinenklimatisierung sind noch etliche Hürden zu nehmen. Mit Hilfe ingenieurstechnischer Berechnungen lassen sich diese Fragestellungen oft detailliert und zeitnah beantworten.

Dass Simulationstechnologien wichtige Hilfestellungen für die Konstruktion, die Optimierung bis hin zum Testen von Produkten geben können, steht nicht mehr zur Debatte. Vielmehr geht es vor allem in innovativen Produktbereichen, wie der künftigen autonomen Mobilität, darum, neue Technologien maßgeblich mit neuen Methoden und Konzepten zu unterstützen. Wie im Falle der autonomen Flugtaxis, die in Städten und Kurzstrecken eingesetzt werden sollen.

In der Luftfahrt ist eine möglichst leichte Bauweise erforderlich, da für jedes kg Gewicht Energie aufgebracht werden muss, um es in den Schwebezustand zu versetzen und um es zu beschleunigen.
Insbesondere haben die eingesetzten Elektromotoren aus diesem Grunde eine sehr hohe Leistungsdichte, d.h. es besteht die Gefahr einer lokalen Überhitzung. Ebenso müssen die Lithium-Ionen-Batteriezellen bei minimalem Gewicht optimal temperiert werden, um ihre Leistung sicher zu erbringen und um möglichst oft geladen werden zu können.

Das Thermomanagement der Elektromotoren, der Leistungselektronik und der Batteriestacks ist daher aufgrund der hohen Leistungsdichte aller Komponenten noch anspruchsvoller als bei Elektrofahrzeugen.

Hotspots, also lokale Stellen mit überhöhter Temperatur, sind soweit wie möglich durch geeignete Kühlungskonzepte zu vermeiden. Zudem haben unterschiedliche Umgebungsbedingungen einen Einfluss auf das Kühlsystem und auf die abzuführende Wärmemenge.

Durch ingenieurstechnische Simulationen lassen sich alle beschriebenen Effekte an entsprechenden virtuellen Modellen zeitnah durchführen. Grobe Konstruktionsmängel können so schnell erkannt werden. Aber auch Details für präzise Justierungen, die über Realtests oft nicht oder nur schwer ersichtlich sind, können über ihren digitalen Zwilling wertvolle Einblicke und Erkenntnisse liefern. Ob Auto oder Lufttaxi, ob die Energien für die elektrischen Antriebe in einem Akku gespeichert werden, oder aus einem Wasserstofftank über eine Brennstoffzelle verstromt werden; diese zukunftsweisenden Technologien werden gebraucht. Die Entwicklungszyklen können dabei über Simulationstechnologien nicht nur verkürzt, sondern auch merklich verfeinert und verbessert werden.

„Für innovative Produkte ist es auch eine unserer Aufgaben, Bestehendes zu hinterfragen. Naturgesetze sind Naturgesetze. Aber neue Technologien und neue Märkte bieten auch physikalisch neue Rahmenbedingungen und Möglichkeiten. Mittels ingenieurstechnischer Simulationsberechnungen lassen sich diese oft früher erkennen und noch wichtiger: deren Wirkungsweise am Rechner testen, auch bevor sie gebaut sind. Das bietet unseren Kunden oftmals einen klaren Vorteil – zeitlich, technisch und wirtschaftlich“ so Stefan Merkle, Geschäftsführer der Merkle & Partner GbR.

Das Ingenieurbüro Merkle & Partner GbR in Heidenheim wurde 1989 von Luft- und Raumfahrtingenieur Stefan Merkle gegründet und zählt zu den ersten und führenden Dienstleistern für ingenieurwissenschaftlicher Berechnungen und Simulationen in Deutschland. Am Hauptsitz Heidenheim und den Niederlassungen Wolfsburg, Homburg/Saar und Erfurt bearbeiten die 50 Mitarbeiter jedes Jahr rund 500 Kundenprojekte aus den Kerngebieten Strukturanalyse, Strömungssimulation und virtueller Produktentwicklung. Zum Kundenkreis zählen namhafte Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie, der Konsumgüterindustrie und dem Schiffbau.

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