Hutchinson ThermalLab™: Modellbasierte Thermalmanagement-Entwicklung am Prüfstand

Autoren

Dipl.-Ing. H. De Campos Garcia, Dipl.-Ing. A. Bacar, F. Chopard PhD, HUTCHINSON S.A. Center of Research & Innovation, Chalette-sur-Loing; Dipl.-Ing. G. Zotter, Dipl.-Ing. A. Baumgartner, J. Humenberger BSc, Dipl.-Ing. (FH) P. Drage, AVL List GmbH, Graz:

Jahr

2021

Druckinfo

Eigenproduktion ÖVK

Zusammenfassung

Ein effizientes Wärmemanagement-System im Fahrzeug (Vehicle Thermal Management System, VTMS) ist Voraussetzung für das Erreichen einer hohen Gesamtenergieeffizienz des Fahrzeugs, unabhängig davon, welches Antriebssystem im Fahrzeug eingesetzt wird. Ein besonderer Stellenwert kommt bei der Entwicklung von Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEVs) und batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) zum Tragen. Die Lebensdauer der Batterie und ihre Schnellladefähigkeit sind stark von der Temperatur der Batteriezellen abhängig, weshalb das VTMS eine Schlüsselrolle spielt. Außerdem steht bei kalten Umgebungsbedingungen oft nicht genügend Abwärme des E-Antriebs zur Verfügung, um den Innenraum eines BEV zu beheizen. In diesen Fällen muss die Energie, um den thermischen Komfort in der Fahrgastzelle zu gewährleisten, aus einer anderen Quelle kommen, wie die elektrische Energie aus der Batterie. Dies führt wiederum zu erheblicher Verringerung der Reichweite, besonders in kalten Klimazonen. Ein intelligentes VTMS mit z.B. einer Wärmepumpe oder einer superisolierten Lösung kann zu einer erheblichen Verbesserung der Effizienz beitragen. Aus diesen Gründen ist das Thermomanagement ein wesentlicher Aspekt des gesamten Fahrzeugentwicklungsprozesses. Ein effizientes VTMS ist jedoch recht komplex und erfordert daher einen hohen Test- und Kalibrierungsaufwand bei seiner Integration. Das ThermalLab™ bietet die Möglichkeit, Thermomanagement-Tests von der Straße auf den Prüfstand zu verlagern, indem ein „Hardware-in-the-Loop“-Ansatz verwendet wird. Bei dieser neuartigen Lösung handelt es sich um eine modellbasierte Testeinrichtung, bei der das gesamte VTMS (alle Kühlmittelkreisläufe und der Kältemittelkreislauf sowie Dummy-Batterie-Zellen in realer Batterie-Pack-Aufnahme) unter dynamischen Bedingungen getestet werden kann, während das VTMS in ein emuliertes Fahrzeug eingebettet ist. Im Gegensatz zu teuren Fahrzeugtests in Klimawindkanälen oder auf der Straße kann mit dem ThermalLab™ als Entwicklungsumgebung die Leistung der gesamten VTMS-Einstellung - mit realen Rohrleitungen und Fluidmanagement-Komponenten - unter realen Fahrzyklen (WLTP, RDE, etc.) getestet und optimiert werden. Darüber hinaus stellt die Sicherstellung der ordnungsgemäßen Funktionalität aller Teilsysteme und die Vorkalibrierung aller Aktoren des Systems auf dem Prüfstand in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses, ohne der Notwendigkeit eines Fahrzeugprototyps und der Unabhängigkeit von Wetter und Klima, einen erheblichen Mehrwert dar. In diesem Beitrag wird dieser einzigartige Testansatz erläutert sowie die Messergebnisse hinsichtlich des Einflusses auf die Reichweite, die Zelltemperatur, den Fahrgastkomfort etc. bei Verwendung von Multi-Source-Wärmepumpensystemen in Kombination mit Wärmespeichern gezeigt. Abschließend zeigt dieser Beitrag die Bedeutung von VTMS für die PHEV- und BEV-Entwicklung, innovative Maßnahmen zur Lösung des Zielkonflikts von optimiertem Fahrgastkomfort, Batterielebensdauer versus Reichweite und ein neuartiges modellbasiertes Testlabor für Thermal-Managementsysteme zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses.

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