Anwendungen​​​​

Ein gutes Kühlsystem zu entwerfen ist ein wichtiger Abschnitt in der Fahrzeugentwicklung. Der erforderliche Arbeitsaufwand beginnt früh und dauert den gesamten Entwicklungsprozess über an. KULI ermöglicht Simulationsarbeiten in all diesen Phasen.

In einer frühen Entwicklungsphase der Fahrzeugherstellung ist eine Dimensionierung des Kühlsystems notwendig. In dieser Phase werden einige stationäre Betriebspunkte angegeben – gekennzeichnet durch Wärmebelastung, Eintritts- und Umgebungstemperaturen sowie maximal zulässige Temperaturen – , die kritische Zustände der Kühlpakete repräsentieren. Die jeweiligen KULI-Modelle sind einfach einzurichten und ermöglichen eine schnelle Analyse der verschiedenen Kühlerblöcke, Kühlergrößen, Kühlpaketanordnungen, Lüfterdrehzahlen etc. Beispielsweise kann ganz einfach bestimmt werden, welcher Luftstrom benötigt wird, um ausreichende Kühlung zu gewährleisten. Diese Informationen sind für die Abteilungen „Vorentwicklung“ und „Aerodynamik“ unerlässlich. In dieser frühen Entwicklungsphase legen die OEMs häufig die zuvor genannten Rahmenbedingungen für die Kühlsystemzulieferer fest, um ein Angebot für geeignete Kühlpakete zu erhalten. Die Zulieferer können die KULI-Optimierung, Parametervariation und COM-Schnittstelle nutzen, um das Einlesen von Randbedingungen zu automatisieren, die Paketauswahl zu optimieren und dem OEM Ergebnisberichte zu übermitteln.

In späteren Phasen der Kühlsystementwicklung wird auch die Fluidseite des Kühlsystems ausführlicher modelliert, sodass die Wärmeverteilung zwischen den verschiedenen Komponenten (Wärmequellen, Kühlkörper, Wärmetauscher) mit hoher Präzision simuliert werden kann. Mithilfe des KULI-Signalpfads kann ein Regelmechanismus inkludiert werden, mit dem Thermostate, Pumpen, Ventile und Lüfter optimiert werden können, um ausreichende Kühlung bei geringem Energieverbrauch zu gewährleisten. Dies ist besonders für Hybrid- und Elektrofahrzeuge sowie für instationäre Simulationen von großer Bedeutung.

Um die Temperatur in verschiedenen Bereichen der Fahrgastkabine zu bestimmen, wird der Workflow zum Einrichten des KULI-Systems beschrieben.
Während einer instationären Simulation wird der Einfluss von HVAC-Systemen bei einer Kühlungssimulation im Sommer oder einer Heizungssimulation im Winter getestet.

Ziel

Bestimmung des Einflusses von Komponenten auf Temperaturen im Kopf- und Fußbereich bei Fahrer und Fahrgästen (1. und 2. Reihe), basierend auf AC-Leistung und verschiedenen Luftstromsituationen im Fahrgastraum (Frischluft, Umluft, Entfrostung oder im ausgeschalteten Zustand).

Workflow einer typischen Kühlungssimulation

1. Motorkühlkreislauf aufbauen
​​​​​​​2. Modell mit einem AC-Kreislauf erweitern
3. Angepassten Fahrgastraum hinzufügen
4. Temperaturverteilung innerhalb des Fahrgastraums anzeigen 

Eine Möglichkeit den Energieverbrauch in elektrischen Fahrzeugen im Winter zu reduzieren ist alternative Heizquellen für die Kabinenheizung zu nutzen. Sunamp benutzt latent Wärmespeicher, sogenannte “Thermische Batterien”, für diesen Zweck… der Schmelzpunkt von verschiedenen Phasenwechselmaterialien (PCM) erlaubt sowohl heizen als auch kühlen.

In diesem Projekt haben wir das Potential von PCMs zur Unterstützung von Wärmepumpen untersucht. Wir haben auch untersucht inwieweit der Jahresenergieverbrauch an verschiedenen Orten weltweit beeinflusst wird. In kälteren Gegenden (z.B. Toronto oder Berlin) werden sogar durch moderat dimensionierte PCMs mehr als 40% der Heizenergie eingespart im Vergleich zu PTC Heizern… und mehr als 15% im Vergleich zu konventionellen Wärmepumpensystemen.

In späteren Phasen der Kühlsystementwicklung liegen bereits mehr Informationen vor. Oft geben CFD-Modelle des Motorraums Einsicht in Luftströme. Diese Modelle enthalten bereits Informationen zum Kühlpaket des ersten Kühlsystementwurfs (siehe 1. Anwendung​​​​​​​). Häufig werden isotherme CFD-Simulationen durchgeführt und die daraus resultierenden Massenströme zum Kalibrieren des 1D-KULI-Modells herangezogen. Außerdem können die ungleichmäßiger Geschwindigkeitsprofile auf den Kühleroberflächen von KULI mithilfe der CFD-Schnittstelle von KULI advanced ​​​​​​​verwendet werden. Das KULI-Modell ermöglicht zudem die Berechnung von Temperaturen und Wärmeströmen in den Kühlpaketen.

Diese Informationen können bei CFD-Simulationen zum Aktualisieren von 3D-Modellen verwendet werden. Durch einen Porositätsrechner (Link auf Onlinebibliothek Beispiel Porositätsrechner) wird sichergestellt, dass das 1D-KULI- und das 3D-CFD-Modell denselben Widerstand für das Kühlpaket verwenden.

Mit KULI können Sie Kühlsysteme für Eisenbahnanwendungen mit Diesel- oder Elektroantrieb modellieren. Diese spezielle Anwendung besteht aus einem am Dach montierten Kühlsystem mit drei Kühlern. Hierbei gibt es einen Niedertemperaturkreislauf zum Kühlen der elektrischen und elektronischen Teile, einen Hochtemperaturkühler zum Kühlen des Motors sowie einen Ladeluftkühler.

Es können verschiedene Lüfterarten mit hydrostatischem, elektrischem oder mechanischem Antrieb eingebunden werden. Während der Simulation kann die Lüftergeschwindigkeit je nach Anforderungen an das Kühlsystem mithilfe von Aktoren reguliert werden – genau wie in realen Situationen. Auch Betriebsbedingungen, wie steiles bergauf Fahren oder Fahren bei heißen Klimaverhältnissen, werden während der Kühlsystemsimulation berücksichtigt.

Am Ende der verschiedenen Varianten, die während der Konzeptphase ausprobiert wurden, um die bestmögliche Konfiguration aller Komponenten zu finden, erhält man einen Prototyp des gesamten Kühlsystems für Eisenbahnanwendungen. Dieser wird nur einmal in Hardware produziert, um die Ergebnisse der KULI-Simulation bei Prüfstand-Untersuchungen und im eingebauten Zustand zu überprüfen.

In KULI können Simulationsmodelle für Kühlsysteme von Elektrofahrzeugen mithilfe der Batterie-, E-Maschinen- und Leistungselektronik (DC/DC oder DC/AC) ganz einfach generiert werden. Neben Themen wie Wärme- (z. B. Entwurf und Aufbau von Kühlpaketen) und Energiemanagement (z. B. Untersuchung von Wärmeverlust bei elektrischen Antrieben), zählt die Prognose der Reichweite von Elektrofahrzeugen zu den Hauptanwendungen.

Vorteile

Die Reichweite von Elektrofahrzeugen ist stark von Umgebungsbedingungen und dem damit verbundenen Energieverbrauch des HVAC-Systems (Heizen im Winter und Kühlen im Sommer) abhängig. KULI kann all diese Effekte simulieren, indem es das AC-System und das Mehrzonen-Kabinenmodell von KULI in ein Fahrzeug-Simulationsmodell einbindet. Dies ermöglicht nicht nur die Analyse des Grundsystems, sondern auch die Optimierung des Wärmemanagements, beispielsweise durch Ändern der HVAC-Betriebsstrategien.

Nutzung des Modells

Das Subsystem zur Reichweitenprognose aus dem Online-Beispiel ist eine Abschätzung der voraussichtlichen Reichweite des Fahrzeugs über einen benutzerdefinierten Fahrzyklus. Die prognostizierte Reichweite wird ausgehend vom Energieverbrauch während des Zyklus und der verbleibenden Akkuladung berechnet. Da die Effizienz des Fahrzeugs vom Betriebspunkt abhängig ist, ändert sich dieser Wert während der instationären Simulation. Dadurch können nicht nur die voraussichtliche Reichweite nach dem Fahrzyklus (z. B. NEFZ) ausgewertet, sondern auch die Faktoren identifiziert werden, die die Reichweite auf positive oder negative Weise beeinflussen.

Dieses Subsystem kann in Zusammenhang mit dem vorgesehenen Fahrzeug-Simulationsmodell eingesetzt werden. Es kann aber auch exportiert und ohne Probleme in anderen Anwendungen verwendet werden.

Ein Grund für die Reduzierung der Reichweite bei Elektrofahrzeugen im Winter ist, dass Fahrzeuge im Frischluftmodus betrieben werden, um das Beschlagen der Windschutzscheibe zu vermeiden. GXC hat eine Beschichtung entwickelt, welche die Luftfeuchtigkeit zu einem transparenten Film kondensieren lässt anstatt zu einer undurchsichtigen Tröpfchenschicht. Dementsprechend sind viel höhere Luftumwälzraten möglich (wie auch Tests zeigen, die GXC Coatings durchgeführt hat). Aber wie groß ist der daraus resultierende Reichweitenvorteil?

Komplette Thermalmanagement Fahrzeugsimulationen mit KULI (basierend auf einem kalibrierten Basismodell ähnlich einem Tesla Model S) haben ein Reichweitenerhöhungspotential von bis zu 11% unter Winterkonditionen gezeigt (Aufwärmung bei -10°C Umgebungstemperatur).