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
Simcenter SymposiumLudwigsburg, 18.10.2017page 2
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
ife
grad
Funktionsbestätigungsreife
Serienreife
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Entstehung des Digital Twin “Thermomanagement”
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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”
• 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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Entwicklung & Absicherung Thermomanagement
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SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase
Konzeptbestätigungsreife
Re
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grad
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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Entwicklung & Absicherung Thermomanagement
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SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase
Konzeptbestätigungsreife
Re
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grad
Funktionsbestätigungsreife
SerienreifeV
V
Risiko Nr.2 für den Digital Twin
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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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Entwicklung & Absicherung Thermomanagement
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SerienentwicklungKonzeptentwicklungInitialphase
Konzeptbestätigungsreife
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Funktionsbestätigungsreife
SerienreifeV
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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
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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.
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.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Simcenter Symposium zur Fahrzeugentwicklung 2017