Hybride Simulation thermischer Systeme am Beispiel eines Reisebusses

Kossel, Roland

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Kosimulationsumgebung entwickelt. Neue Methoden werden vorgestellt, um das Verhalten der gekoppelten Simulation in Richtung höherer Genauigkeit, Geschwindigkeit und Stabilität zu beeinflussen. Diese betreffen die Synchronisation der Teilsystemsimulationen, Extrapolations- und Glättungsfunktionen sowie Randbedingungszeitreihen. Für unterschiedliche technische Disziplinen wird eine Übersicht gegeben, welche Variablen für die Kopplung der Teilsysteme auszuwählen sind und wie das zeitliche Verhalten der Kosimulation beeinflusst werden kann. Zur Strukturierung des Aufbaus und der Durchführung einer Kosimulation wird ein Arbeitsprozess vorgeschlagen. Dieser berücksichtigt die Organisationsstruktur, wie sie in großen Firmen heutzutage üblich ist, und zielt auf die fachgruppenübergreifende Zusammenarbeit. Als Abschluss wird die Kosimulation des thermischen Gesamtsystems eines Reisebusses vorgestellt. Durch Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen Kältekreislauf (mit dem Kältemittel R-744), Kühl-/Heizkreislauf, Innenraum, Längsdynamik, Fahrzustand und Umgebungszustand wird eine energetische Bewertung ermöglicht. Neben der an die gängige Praxis angelehnten Regelung des R-744-Kältekreislaufs auf einen energieoptimalen Hochdruck mit anschließender Gegenheizung werden in dieser Arbeit der Einfluss einer Zylinderbankabschaltung des Kältemittelverdichters unterhalb einer Außentemperatur von 35°C sowie eine Regelung der Innenraumtemperatur über Zylinderbankabschaltung und das elektronische Expansionsventil des Kältekreislaufs, bei der eine Gegenheizung vermieden wird, in Hinblick auf die Gesamtenergieeffizienz untersucht. Für eine betrachtete virtuelle Fahrt von Lissabon nach Madrid ergibt sich eine Reduzierung der Verdichterantriebsleistung von etwa 22% durch die Zylinderbankabschaltung und von etwa 36% durch die zusätzliche Regelung mit Expansionsventil, jeweils bezogen auf die Regelung durch Gegenheizung.

In this work, a co-simulation environment is developed, focusing on the simulation of thermal systems. New methods are introduced to influence the behavior of the coupled simulation to reach high accuracy, speed and stability. In addition to synchronization, numerical effects are targeted primarily by introducing extrapolation and smoothing functions as well as time series for boundary conditions. For various technical disciplines, guidelines for choosing coupling variables and influencing the behavior of thermal systems by introducing additional heat capacities and resistors are presented. A work process is introduced by this work to structure the development and implemen-tation of a co-simulation. The process takes into account the organizational structure found in large companies nowadays, and is designed to enable cross-group collaboration.The co-simulation of coach’s thermal system is presented considering the subsystems refrigeration circuit (with the refrigerant R-744), cooling/heating circuit, passenger com-partment, longitudinal dynamics and driving/environmental conditions. By taking into account the interactions between these systems, energy performance evaluation becomes possible. Different control strategies are investigated in terms of overall energy efficiency: (1) Control of the R-744 refrigeration cycle to an energy-optimal high pressure with counter-heating following common practice, (2) cylinder bank shutdown of the refrigerant compressor at outside temperatures below 35°C and (3) control of the refrigerant cycle’s electronic expansion valve including cylinder bank shutdown. For a virtual test drive from Lisbon (Portugal) to Madrid (Spain) results show a reduction in compressor shaft power of about 22% when using cylinder bank shut-down and about 36% with additional control through the expansion valve, compared to counter-heating.

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Kossel, Roland: Hybride Simulation thermischer Systeme am Beispiel eines Reisebusses. 2011.

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