Anwenderbericht Mahindra & Mahindra

Modellierung und Echtzeitsimulation einer Fahrzeugklimaanlage in SimulationX

Erfahren Sie, wie Mahindra & Mahindra ESI ITIs Simulationslösungen einsetzt, um zuverlässige, leistungsstarke und energieeffiziente Klimaanlagen für die Fahrzeugbranche zu entwickeln.

Aufgabe

Simulation mit Hilfe der SimulationX-Bibliotheken „Pneumatik“, „Thermofluid“ und „Industrial Utilities“

Mahindra & Mahindra Limited mit Sitz in Mumbai, Indien, ist führend in der Herstellung von PKW und Nutzfahrzeugen. Um seinen Wettbewerbsvorteil zu wahren, investiert Mahindra in umfangreiche Forschung und Entwicklung am Standort im Mahindra Research Valley nahe Chennai. Unter anderem werden dabei vollautomatische Temperaturregler getestet und kalibriert. Dafür hat Mahindra & Mahindra ITI beauftragt, ein detailliertes Modell einer Fahrzeugklimaanlage mit Hilfe von SimulationX zu erstellen, um die Temperatur in der Fahrgastzelle auf Grundlage von Daten des elektronischen Steuergeräts und von Umweltfaktoren dynamisch zu ermitteln. Das Modell der Klimaanlage wurde anschließend in Matlab/Simulink importiert, wo es mit einem bereits vorhandenen Systemmodell gekoppelt wurde, um dann in den Echtzeitumgebungen von dSpace und Labcar eingebunden zu werden.

Lösung

Echtzeitsimulation mit SimulationX

Da das Klimaanlagenmodell für Tests und Kalibrierung eines vollautomatischen Temperaturreglers verwendet werden sollte, wurden die Modelleingänge und -ausgänge als Signale von und zum elektronischen Steuergerät konfiguriert. Zusätzliche Umwelteingänge, wie Umgebungstemperatur und Sonnenstrahlung, wurden ebenfalls geliefert. In vereinfachter Form kann der Kühlkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage mit vier Komponenten dargestellt werden: Kompressor, Verdichter, Reglerventil und Verdunster, die jeweils durch ein entsprechend dimensioniertes Kühlmittelvolumen voneinander getrennt sind, um das dynamische Systemverhalten angemessen widerzuspiegeln.

Weitere dynamische Aspekte wie mechanische Trägheiten können sowohl berücksichtigt als auch vernachlässigt werden je nach Abwägung des zusätzlichen Nutzens gegenüber der größeren Modellkomplexität und der damit verbundenen Erhöhung der Rechenzeiten. Das Fluidberechnungsmodell spielt auch eine wichtige Rolle bei der Simulationsgeschwindigkeit. Dafür wurden die tabellenbasierten Fluidberechnungen von TLK herangezogen, da sich deren hohe Berechnungsgeschwindigkeit ideal für Echtzeitanwendungen eignen. Sowohl R134a als auch R1234yf wurden dabei als mögliche Kühlmittel in Betracht gezogen.

Der Kompressor wurde als ein volumetrischer Umwandler mit einer Geschwindigkeit relativ zur Motordrehzahl modelliert, was als Eingang zum Modell fungierte. Der isentropische und volumetrische Wirkungsgrad wurde dynamische anhand von Tabellen, die von Mahindra bereitgestellt wurden, mit Hilfe des Druckverhältnisses und der Drehzahl berechnet. Diese Tabellen wurden mit den 2D-Kennfeld-Elementen in SimulationX modelliert, wodurch die Tabellendaten direkt von Microsoft Excel importiert werden konnten. Der Verdichter und der Verdunster wurden mit Wärmetauschern der Bibliothek „Industrial Utilities“ modelliert. Diese Wärmetauscher verwenden die NTU-Methode für die Berechnung des Wärmetransfers zwischen den Fluiden.

Die Einstellung für den Wirkungsgrad wurde in jedem Wärmetauscher gesetzt. Berechnet wurde der Wirkungsgrad mit Funktionsgliedern in SimulationX, um die Anzahl an Übertragungseinheiten sowie das Verhältnis der Wärmekapazität der Fluide zu bestimmen. Die detaillierte Geometrie der Wärmetauscher wurde für die Ermittlung der Wärmtransferfläche verwendet. Sowohl Geometrie als auch die dynamischen Fluideigenschaften, die automatisch mit der SimulationX-Fluidbibliothek berechnet wurden, bildeten die Berechnungsgrundlage für die konvexe Wärmeübergangszahl der Fluide. Der Anteil der Wärmetauscher an flüssigen, zweiphasigen und gasigen Bereichen wurde ebenfalls dynamisch berechnet und an die jeweiligen Fluidbedingungen angepasst. [...]

Nutzen

Erstellung eines realistischen Simulationsmodells von einer Fahrzeugklimaanlage

Durch den Einsatz der SimulationX-Bibliotheken “Pneumatik”, “Thermofluid” und “Industrial Utilities” war es möglich, ein realistisches Simulationsmodell einer Fahrzeugklimaanlage zu erstellen. Das Belüftungsmodell konnte bei gleichbleibender Systemzeit auf 23 ODE-Zustände vereinfacht werden, was eine Löser-Schrittweite von 1 ms ermöglichte. Mit Hilfe des Code-Export-Assistenten wurde das Modell nach Simulink S-Function exportiert. In Simulink selbst wurde das Modell dann mit einem bereits existierenden Systemmodell gekoppelt, um dann wiederum auf den Echtzeitplattformen dSpace und Labcar verwendet zu werden, wodurch Mahindra & Mahindra einen vollautomatischen Temperaturregler erfolgreich testen und kalibrieren konnte.

Simulation in der Automobilindustrie

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Beispiele

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