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40.70.10.EDAG.V02_Präsentationsvorlage Quer (MS Office 2007) Stand: 20.07.2011

MATLAB EXPO 2015

Modulare thermische Gesamtfahrzeugsimulation mit Datenmanagement im Pre- und Postprocessing

Dr. Peter Kossebau, Udo Alt EDAG Engineering AG, Ingolstadt


Themen der Präsentation

Einleitung EDAG Umfeld und Ausgangssituation

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Kühlkreisläufe Verbrennungsmotor, E-Fahrzeug

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Programmsystem EDAG Thermal Engineering Platform Pre- und Postprocessing

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Hauptkomponentenanalyse Dimensionsreduktion und Prozesskontrolle

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Zusammenfassung Ausblick

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6/26/15 Peter Kossebau, EDAG Engineering AG. All rights reserved. Folie 2 6/26/15 Peter Kossebau, EDAG Engineering AG. All rights reserved.


EDAG Enigineering AG Aufteilung nach Segmenten

Horvath Christoph, Marketing, 01/2015 Folie 3 von 39 © Copyright 2015 EDAG Engineering AG. All rights reserved.

EDAG Vehicle Engineering

Fahrzeugentwicklung

EDAG Production Solutions

Entwicklung von Produktionsanlagen

EDAG Electric / Electronic

Elektrik/Elektronikentwicklung, Car-IT

Tochterunternehmen: EDAG Production Solutions GmbH

Tochterunternehmen: BFFT Gesellschaft für Fahrzeugtechnik mbH

EDAG Engineering AG


Einleitung

Warum thermische Gesamtfahrzeugsimulation?

■  Änderung gesetzlicher Vorgaben ■  Reduzierung CO2-Ausstoß

■  Einführung neuer Kältemittel (R1234yf, R744)

■  Auslegung und Optimierung neuer Kühl- und Kältekreise im Fahrzeug

■  Verkürzung der Entwicklungszeiten ■  Reduzierung der Prototypenanzahl

■  Modellvielfalt

Peter Kossebau, EDAG Engineering AG. All rights reserved. Folie 4 6/26/15 Peter Kossebau, EDAG Engineering AG. All rights reserved.



Einleitung EDAG Umfeld und Ausganssituation

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Kühlkreisläufe Verbrennungsmotor

■  Fahrzeugumgebung ■  Motorraum ■  Kabine

■  Mikrokühlkreislauf ■  Verkürzung der Warmlaufphase ■  Verbesserung der Temperaturverteilung im

Motor ■  Frühzeitige Nutzung der Abwärme zur

Heizung der Fahrzeugkabine

■  Motorkühlkreislauf ■  Gesteuerte Kühlmittelpumpe kann

abgeschaltet werden ■  Kann bei Bedarf den µ-Kühlkreislauf

unterstützen

■  Niedertemperaturkreislauf ■  Unabhängiger Kühlkreis zur indirekten

Kühlung der Ladeluft

■  Kältekreislauf ■  Kühlung der Fahrzeugkabine

■  Frontlüfter (Umgebungstemp.) ■  Verbesserung der Wärmeabfuhr bei

Langsamfahrten oder im Stillstand

Peter Kossebau, EDAG Engineering AG. All rights reserved. Folie 6 6/26/15

Kondensator

Verdampfer

Zylinderkopf

Thermostat

Motorölkühler

Motor

Wärmetauscher

Getriebe

Ladeluftkühler

NT Wärmetauscher

Motor-raum

Kabine

Zylinderkopf

Abgas- rückführung

Standheizung

Heizungs- wärmetauscher

PTC / Elektrische Heizung


Kühlkreisläufe Elektroantrieb

■  Fahrzeug ■  HV-Speichersystem ■  Kühlung HV-Speicher ■  Optimale Temperatur ca. 23°C

■  Wasserkreislauf ■  Gesteuerte Kühlmittelpumpe kann

abgeschaltet werden

■  Leistungselektronik ■  Integriert in den Wasserkreislauf

■  Ölkühlkreislauf ■  Integriert in den Wasserkreislauf

■  Heizungswärmetauscher ■  Nutzung der Abwärme der aktiven

Baugruppen beim Heizen

■  Frontlüfter ■  Kältekreis ■  Kühlung des HV-Speicher ■  Fahrzeugkabine


Fahrgast- zelle

PTC / Elektrische Heizung

Batterie- zellen

Kühlplatte

HV-Speicher

Leis

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elek

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ik 1

Leis

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Mot

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Öl-/

Was

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met

ausc

her

Mot

or 1

Heizungs- wärmetauscher

Wärmetauscher

Kondensator

Verdampfer

Chiller

Kältekreis/Wasser


Kühlkreisläufe EDAG-Programm ─ Virtual Vehicle Model

■  Features ■  Beliebige Fahrzyklen ■  Beliebige Route ■  Bergfahrt anpassen der Stoffwerte

■  Kühlkreisläufe ■  Wärmeübertrager ■  Rohre

■  Motormodell ■  Modularer Aufbau, Zylinderkopf getrennt

■  Innenraummodell ■  Wärmedurchgang ■  Sonneneinstrahlung ■  Leckagen / Zuluft ■  2 Zonenmodell (Kopfraum / Scheibe) ■  Wärmeeintrag durch Passagiere

■  Scheibenmodell ■  Wärmedurchgang ■  Defogging ■  Defrost (1-Phasenmodell)





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2

Programmsystem EDAG Thermal Engineering Platform Pre- und Postprozessing

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4



EDAG Thermal Engineering Platform Eingabemaske

■  Programmstruktur ■  Preprocessing: ■  Kennlinien und Parameterbearbeitung in grafischer

Benutzeroberfläche ■  Postprocessing ■  Export der Ergebnisse der MATLAB-Simulation ■  Darstellung und Dokumentation der Ergebnisse ■  Hauptkomponentenanalyse der Daten mit

MATLAB

■  Programmfeatures ■  Wahl zwischen elektrischem und

konventionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor

■  Umweltbedingungen einstellbar ■  Komponenten im Fahrzeugmodell einzeln

parametrisierbar ■  Vordefinierte Fahrzyklen: NEDC, FTP 75,... ■  Fahrstrecken aus Geodaten frei generierbar ■  Längsdynamik wir aus Kurvenverlauf

berechnet


Pre- Prozessing

Bibliotheken

Transparente Datenstruktur

MATLAB/Simulink

Fahrzeugmodelle

Verbrennungsmotor

Elektroantrieb

Postprozessing

2D-Grafik

Haupt-komponenten-

analyse

Projekt-archivierung

…


EDAG Thermal Engineering Platform Eingabelisten

■  Datei mit Liste aller Parameter der Gesamtfahrzeugsimulation wird erzeugt

■  Gesamtfahrzeugsimulation umfasst mehrere hundert Parameter aufgeteilt in die verschiedenen Fahrzeugkomponenten

■  Daten zur Steuerung der Simulation ■  Simulationsdauer ■  Anzahl Wiederholungen ■  Simulationstyp

■  Einstellung aller Umweltbedingungen

■  Anmerkungen und Kommentierung der Simulation

■  Leicht editierbar



Umgebungstemperatur +25°C


EDAG Thermal Engineering Platform Vergleich zw. Sommer und Winter eines konventionellen Fahrzeugs

Folie 12

Thermostat öffnet bei +5°C à 347 s bei +25°C à 268 s

Thermostat komplett geöffnet



Fahzeuggeschwindigkeit

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Thermostat nicht komplett geöffnet




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Hauptkomponentenanalyse Fahrtzyklen und Systemverhalten

■  Simulation verschiedener Fahrtstrecken eines Elektrofahrzeugs

■  Unterschiedliche vorgegebene und selbst erstellte Zyklen werden genutzt, um Fahrzeug/Systemverhalten zu testen

■  Zyklen ■  Nordschleife Nürburgring ■  Staufahrt ■  NEDC (modifiziert) ■  TRAMAQ ■  EMPAC3 ■  EUtransient ■  FTP 75 ■  CityCycle (Stadtfahrt) ■  …

■  Zusätzlich können auch noch die Umweltparameter variiert werden



Hauptkomponentenanalyse Variation der Lastfälle

■  Ca. 130 „Messgrößen“ pro Zyklus werden aufgezeichnet, wie Temperatur, thermische Leistung, elektr. Strom, elektrische Spannung,…

■  Große Datenmengen werden erzeugt

■  Daten müssen verglichen und ausgewertet werden für eine thermische Bewertung der Kühlkreise

■  Zyklen oft nicht einheitlich und es existieren zeitliche Abhängigkeiten der einzelnen Größen

Folie 15 6/26/15 Peter Kossebau, EDAG Engineering AG. All rights reserved.


Hauptkomponentenanalyse Mittelwert und Standardabweichung

■  Mittelwert und Standardabweichung einzelner Messgrößen ändert sich von Fahrzyklus zu Fahrzyklus

■  Auf den ersten Blick keine oder kaum Korrelation erkennbar für eine „Messgröße“

■  Wie kann eine Bewertung der unterschiedlichen „Messgrößen“ erfolgen?



Hauptkomponentenanalyse Korrelation zweier Größen

■  Fahrzeugaufbau und Fahrzeugdaten sind identisch

■  Viele verschiedene Simulationsergeb-nisse müssen miteinander verglichen werden

■  Einige „Messgrößen“ zeigen starke oder weniger starke Korrelation

■  Wie beeinflussen unterschiedliche Fahrzyklen das Fahrzeugverhalten?

■  Wo treten die größten Effekte auf?

■  Welche sind unkorreliert?

Folie 17 6/26/15 Peter Kossebau, EDAG Engineering AG. All rights reserved.


Hauptkomponentenanalyse Anwendung

■  Simulationsdaten sind meistens gestreut ■  Es werden die Variablen mit möglichst großen

Einfluss gesucht ■  Multivarianter Ansatz ■  Bewertung von nicht zwei Datensätzen miteinander,

sondern paarweise alle aus einem Satz ■  Normierung und Ermittlung der

Korrelationskoeffizienten

■  Auffinden der Komponente(n) mit dem größten Einfluss

■  Vorteile: ■  Quantifizierbar: Eigenwerte des Systems werden

berechnet (Vergleichbarkeit) ■  Automatisierbar ■  Aufgrund der Matrixoperationen in Matlab leicht

abbildbar

■  Nachteile: ■  Keine Kausalität, nur Korrelation ■  Mit Standardverfahren nur lineare Zusammenhänge

erkennbar

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Peter Kossebau, EDAG Engineering AG. All rights reserved. 6/26/15

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Hauptkomponentenanalyse Ergebnisauswertung

■  Hauptkomponentenanlyse erzeugt eine Liste mit korrelierten Größen

■  Liste ist quantifizierbar ■  Je größer der Eigenwert, desto einflussreicher die

Größen und es herrscht eine starke Korrelation

■  Auffinden von Abhängigkeiten kann leicht automatisiert werden

■  Auffinden von unkorrelierten Größen ist möglich

■  Automatisierte Optimierung kann implementiert werden





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Zusammenfassung

■  Entwicklung eines 1-D-Fahrzeugmodells mit MATLAB/Simulink als Schulungs-Innovationsprojekt ■  Elektrofahrzeug ■  Konventionell angetriebenes Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ■  Weitere Modelle vorgesehen

■  Eingabe der Daten über eine Eingabemaske/GUI

■  Nutzung externer Dateiformate zum Auswerten

■  Automatisierung des Ergebnisvergleichs/Auswertung ■  Dimensionsreduktion zur Modellanalyse mittels Hauptkomponentenanalyse ■  Leichtes Auffinden der systemkritischen Parameter ■  Zeitersparnis

■  Mögliche Automatisierung der Simulationsdurchführung für Variantenvergleich und Optimierung



Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!

Für weitere Informationen stehen wir Ihnen sehr gerne zur Verfügung


Dr. Peter Kossebau Kühlung/ Klimatisierung/ Hochvoltspeichersysteme EDAG Engineering AG Robert-Bosch-Str. 7a 85053 Ingolstadt

Udo Alt Kühlung/ Klimatisierung/ Hochvoltspeichersysteme EDAG Engineering AG Robert-Bosch-Str. 7a 85053 Ingolstadt

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