Entwicklung und Absicherung eines innovativen Fahrzeug ... Luftklappensteuerung (LKS), getrennt

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  • InDesA GmbH  Carl-Zeiss-Ring 19a  D-85737 Ismaning  Phone +49 (89) 552 7978-10  Fax +49 (89) 552 7978-29  www.InDesA.de

    Entwicklung und Absicherung eines innovativen

    Fahrzeug-Thermomanagementsystems.

    Gerald Seider, Fabiano Bet, Marcel Hülssiep Ludwigsburg, 17. Oktober 2017

    Simcenter Symposium zur Fahrzeugentwicklung 2017

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 2

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement InDesA Kompetenz

    InDesA‘s virtueller Produktentwicklungsprozess für

    Fahrzeug Thermo-und Energiemanagement Systeme

    Design

    Simulation

    Analyse

    Absicherung

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 3

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement Integrated Design Analysis

    Entwicklungsumgebung des Kunden

    1D Simulation

    3D Simulation

    3D Virtueller Prüfstand

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 4

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

    Thermomanagement

    ICE Thermodynamik / Verbrennung

    Mechanik Antrieb

    VVT

    Fahrzeugintegration

    eWaPu

    integr. AG Krümmer

    therm. Isolierung

    Ölkühler

    Verbrauch

    WarmUp

    Kühlung

    Verbr.konzept

    Elektrifizierung

    TM* im Kontext des konventionellen Antriebs

    Steuerventile

    LKS

    ind. LLK

    *) Thermomanagement (TM)

    Thermische Betriebssicherheit

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 5

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

    Thermomanagement

    Klimakreislauf

    HV-Komponenten

    heat pump

    eWaPu

    chiller

    PTC heater

    HX

    Energieeffizienz

    WarmUp

    Kühlung

    Elektrifizierung

    TM* im Kontext des Elektrofahrzeugs

    h e a t

    fl u x

    Steuerventile

    Fahrzeugintegration

    *) Thermomanagement (TM)

    Thermische Betriebssicherheit

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 6

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

    Luftklappensteuerung (LKS), getrennt für HT und NT Kühlmittelkreislauf • HT Klappe regelt Kühlmitteltemperatur • NT Klappe regelt Ladelufttemperatur

    Attribute • Luftseitige Kühlmitteltemperaturregelung • Entfall des klassischen Thermostatventils • Bedarfsgerechte und separate Kühlung von

    HT und NT Kühlmittelkreislauf • Minimierung der aerodynamischen

    Verluste für Kühlfunktion • Verbesserte Aufwärm- und

    Abkühleigenschaften des Motorraums

    Innovatives Fahrzeugkühlsystem

    Kühlmodul mit Luftklappensteuerung

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 7

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

    variable Kühlmittelpumpe

    Absperrventil

    Luftklappe HT/NT Kühler

    wassergekühlter Ladeluftkühler

    Innovatives FahrzeugkühlsystemInnovatives Fahrzeugkühlsystem

    Kühlmittelkreislauf ohne Thermostat

    wassergekühlter Abgaskrümmer Split-Cooling

    Kopf/Block motorintegriertes Steuerventil

    schaltbarer Motoröl/Wasserkühler

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 8

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement 1D Modulare Systemsimulation

    Intake air Combustion Exhaust gas

    ICE Coolant

    ICE Structure

    ICE Friction ICE Oil

    Vehicle/Drivetrain Performance

    Vehicle HT Cooling Circuit

    Transmission Thermal System

    Vehicle LT Cooling Circuit

    ICE Performance

    Vehicle UH Cooling Air

    ∆ t

    = O (μ

    se c)

    ∆t = O(sec)

    HVAC

    Electrification

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 9

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

    Fahrzeuggeschwindigkeit

    Motorleistung

    Motordrehzahl

    Motordrehmoment

    Beispiel: Testzyklus 3x VL Beschleunigung

    Umgebungs-/Starttemperatur 20°C

    2x VL Beschleunigung auf 240 km/h  Konstantfahrt  Abbremsvorgang  Fzg.Stillstand Motor Leerlauf

    1x VL Beschleunigung auf 250 km/h  Konstantfahrt

    Zyklusdauer 400 Sekunden

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 10

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

    Klappe offen

    Klappe geregelt

    Klappe offen

    Klappe geregelt

    Kühlluftmassenstrom bei Umgebungstemperatur 20°C

    HT Klappe geregelt über Kühlmitteltemperatur (90°C) Thermische Trägheit von Motor und Kühlmittel gleicht Lastwechsel durch Schaltungen weitgehend aus.

    NT Klappe geregelt über Ladelufttemperatur (55°C) Lastwechsel durch Schaltungen wirken sich unmittelbar auf LL Massenstrom, Temperatur und Druck aus.  höhere Anforderung an die Regelstrategie

    Beispiel: Testzyklus 3x VL Beschleunigung

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 11

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

    Aerodyn. Widerstand bei Umgebungstemperatur 20°C

    bis 5% Widerstandsreduzierung im geregelten Betrieb … berechnet aus Impulsverlust der Luftmassenstromdifferenz aus ungeregelten und geregelten Betrieb

    100 N

    Luftklappenregelung mit Einfluss auf  Aerodynamik

     Motorbetriebspunkt  Verbrennung (Ladeluft)

     Verbrauch

    Aerodynamischer Fahrzeugwiderstand bei geöffneten Klappen

    1950 N

    Widerstandsreduzierung durch geregelten Betrieb

    Beispiel: Testzyklus 3x VL Beschleunigung

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 12

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement Absicherung Kühlluftmassenströme

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 13

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement Absicherung Kühlluftmassenströme

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 14

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement Absicherung Kühlluftmassenströme

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 15

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement Absicherung Kühlluftmassenströme

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 16

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement Absicherung Kühlmittelmassenströme

    In Gesamtmodell integrierte Kühlmittelkreisläufe:

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 17

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

    Digital Twin besteht aus komplementären und synchronisierten 1D & 3D CAE Modellen für alle Entwicklungsbaugruppen. Je höher der Integrationsgrad, desto besser.

    Ziel:  Unterstützung des virtuellen Produktentstehungsprozesses  Zum SOP soll der Digital Twin das funktionale Verhalten des realen Fahrzeugs abbilden,

    • um Fehler im Feld schneller zu analysieren und zu beheben • um Weiterentwicklung zu unterstützen, z.B. Cost down, Derivate, Nachfolger

    Digital Twin hat den Anspruch, bis zur Serienreife entwickelt zu werden!

    Konzept des Digital Twin “Thermomanagement”

    Vom virtuellen Fahrzeug zum Digital Twin …

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 18

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

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    SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase

    Konzeptbestätigungsreife

    R e

    if e

    gr ad

    Funktionsbestätigungsreife

    Serienreife

    D

    D

    Entstehung des Digital Twin “Thermomanagement”

  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 19

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

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    SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase

    Konzeptbestätigungsreife

    R e

    if e

    gr ad

    Funktionsbestätigungsreife

    Serienreife

    D

    D

    Entstehung des Digital Twin “Thermomanagement”

    • Digital Twin besteht aus verschiedenen 1D und 3D Modellen, die während der Entwicklung ständig abgeglichen werden müssen.

    • Digital Twin ist dem Fahrzeugversuch in der Regel um eine

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  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.2017 page 20

    Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

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    SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase

    Konzeptbestätigungsreife

    R e

    if e

    gr ad

    Funktionsbestätigungsreife

    Serienreife V

    Risiko Nr.1 für den Digital Twin

    Abbruch Weiterentwicklung des Digital Twins sobald der Fahrzeugversuch vergleichbare Reife liefert. Grund: Budget, Kapa Risiko: Digital Twin wird nicht zur Serienreife entwickelt und ist danach nur noch bedingt brauchbar für Analyse von Serienproblemen oder für Weiterentwicklung.

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  • Simcenter Symposium Ludwigsburg, 18.10.20