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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

Entwicklung und Absicherung eines innovativen Fahrzeug ... · Luftklappensteuerung (LKS), getrennt für HT und NT Kühlmittelkreislauf • HT Klappe regelt Kühlmitteltemperatur •

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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 HülssiepLudwigsburg, 17. Oktober 2017

Simcenter Symposium zur Fahrzeugentwicklung 2017

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Entwicklung & Absicherung ThermomanagementInDesA Kompetenz

InDesA‘s virtueller Produktentwicklungsprozess für

Fahrzeug Thermo-und Energiemanagement Systeme

Design

Simulation

Analyse

Absicherung

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Entwicklung & Absicherung ThermomanagementIntegrated Design Analysis

Entwicklungsumgebungdes Kunden

1D Simulation

3D Simulation

3D Virtueller Prüfstand

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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

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Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

Thermomanagement

Klimakreislauf

HV-Komponenten

heat pump

eWaPu

chiller

PTC heater

HX

Energieeffizienz

WarmUp

Kühlung

Elektrifizierung

TM* im Kontext des Elektrofahrzeugs

heat

flux

Steuerventile

Fahrzeugintegration

*) Thermomanagement (TM)

Thermische Betriebssicherheit

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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

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Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

variable Kühlmittelpumpe

Absperrventil

LuftklappeHT/NT Kühler

wassergekühlter Ladeluftkühler

Innovatives FahrzeugkühlsystemInnovatives Fahrzeugkühlsystem

Kühlmittelkreislauf ohne Thermostat

wassergekühlter Abgaskrümmer Split-Cooling

Kopf/Block motorintegriertes Steuerventil

schaltbarer Motoröl/Wasserkühler

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Entwicklung & Absicherung Thermomanagement1D Modulare Systemsimulation

Intake airCombustionExhaust gas

ICE Coolant

ICE Structure

ICE FrictionICE Oil

Vehicle/DrivetrainPerformance

VehicleHT Cooling Circuit

TransmissionThermal System

VehicleLT Cooling Circuit

ICE Performance

Vehicle UHCooling Air

∆t

= O(μ

sec)

∆t = O(sec)

HVAC

Electrification

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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

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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

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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 Fahrzeugwiderstandbei geöffneten Klappen

1950 N

Widerstandsreduzierung durch geregelten Betrieb

Beispiel: Testzyklus 3x VL Beschleunigung

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Entwicklung & Absicherung ThermomanagementAbsicherung Kühlluftmassenströme

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Entwicklung & Absicherung ThermomanagementAbsicherung Kühlluftmassenströme

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Entwicklung & Absicherung ThermomanagementAbsicherung Kühlluftmassenströme

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Entwicklung & Absicherung ThermomanagementAbsicherung Kühlluftmassenströme

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Entwicklung & Absicherung ThermomanagementAbsicherung Kühlmittelmassenströme

In Gesamtmodell integrierte Kühlmittelkreisläufe:

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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 …

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Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

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SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase

Konzeptbestätigungsreife

Re

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Funktionsbestätigungsreife

Serienreife

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Entstehung des Digital Twin “Thermomanagement”

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SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase

Konzeptbestätigungsreife

Re

ife

grad

Funktionsbestätigungsreife

Serienreife

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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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SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase

Konzeptbestätigungsreife

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Funktionsbestätigungsreife

SerienreifeV

Risiko Nr.1 für den Digital Twin

Abbruch Weiterentwicklung des Digital Twinssobald der Fahrzeugversuch vergleichbare Reife liefert.Grund: Budget, KapaRisiko: 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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SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase

Konzeptbestätigungsreife

Re

ife

grad

Funktionsbestätigungsreife

SerienreifeV

V

Risiko Nr.2 für den Digital Twin

D

Zu früher Abgleich zwischen 1D Simulation und Versuchd.h. 1D Modell wird entsprechend Versuch „kalibriert“ Grund: Vertrauen in Versuch ist höher als in SimulationAuswirkung: • Digital Twin verliert prädiktive Eigenschaft• Funktionsbestätigung erfolgt verspätet und maßgeblich durch

den Versuch.

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SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase

Konzeptbestätigungsreife

Re

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grad

Funktionsbestätigungsreife

SerienreifeV

V

Risiko Nr.2 in Verbindung mit Nr. 1

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Sehr früher Abbruch der Entwicklung des Digital Twins,da der Digital Twin auf die Reife des Fahrzeugversuchs heruntergezogen wird.Grund: zu früher Abgleich mit Fahrzeugversuch, Budget, KapaRisiko: Digital Twin wird nicht zur Funktionsbestätigungsreife entwickelt und ist danach nicht brauchbar für Analyse von Serienproblemen oder für Weiterentwicklung.

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Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

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SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase

Konzeptbestätigungsreife

Re

ife

grad

Funktionsbestätigungsreife

Serienreife

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Entstehung des Digital Twin “Thermomanagement”

Idealer Entstehungsprozess des Digital Twin Thermomanagement• Späterer Aufbau der Versuchsfahrzeuge / Prototypen• Budgetverschiebung vom Anfang auf Ende der Serienentwicklung• Konsequenter Abgleich des Digital Twin mit Fahrzeugversuch in

letzter SE-Phase bis zum SOP

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Entwicklung & Absicherung Thermomanagement

Dabei sollte der Integrationsgrad der einzelnen Modelle im Gesamtmodell möglichst hoch sein.

Résumé

Zur Darstellung des Digital Twins müssen die Simulationsmodelle bis zum Serienreifegrad entwickelt werden, d.h. in der Endphase der Serienentwicklung muss noch einmal Aufwand zum Abgleich mit dem realen Fahrzeug getätigt werden.

Die direkte 1D/3D Kopplung ist nicht notwendig. Vielmehr müssen 1D und 3D Modelle während der Entwicklung immer wieder aufeinander abgestimmt und verbessert werden.

Die Entwicklung und Absicherung der Funktion Fahrzeug-Thermomanagement lässt sich durch den komplementären Einsatz von 1D und 3D Simulationsmodellen bis zur Funktionsbestätigungsreife weitgehend virtuell darstellen.

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Entwicklung und Absicherung eines innovativen

Fahrzeug-Thermomanagementsystems.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Simcenter Symposium zur Fahrzeugentwicklung 2017