Closed-Loop Simulationsmodell der Fahrzeugklimatisierung

Rommelfanger, Christian; van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor); Müller, Dirk (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau eines Closed-Loop Verbundmodells zur virtuellen Applikation der Innenraumklimatisierung von Fahrzeugen. Virtuelle Applikation beschreibt dabei den Entwurf und die Entwicklung des Regelverhalten der Innenraumklimatisierung durch ein virtuelles Modell. Um das Regelverhalten beobachten zu können muss sich das Modell in einem Closed-Loop Zustand befinden, da nur so der komplette Regelkreis abgebildet wird. Innerhalb der zu Beginn durchgeführten Literaturrecherche wurden hauptsächlich Modellierungen gefunden in denen entweder das Regelsystem, das Klimasystem in Verbindung mit den Ausströmern oder das Kabinenmodell in einem Maß vereinfacht wurden, so dass ein Closed-Loop Betrieb nicht möglich ist. Zunächst wurden verschiedene Teile der Klimatisierung messtechnisch untersucht, um so eine Modellbildung der Simulationsmodelle zu ermöglichen. Zur Messung der Luft- und Temperaturverteilung des Klimageräts wurde ein Prüfaufbau des Verteilertrakts aufgebaut, um die Verteilung der Strömungsgrößen für verschiedene repräsentative Klappenstellungen des Klimageräts zu messen. Da die Genauigkeit der vorhandenen Messmethoden nicht ausreichte, lag besonderes Augenmerk auf der Entwicklung einer neuen Messmethode. Eine Vermessung der Leckage ermöglicht darüber hinaus die Integration der Leckluftrate in der darauf aufbauenden Simulation. Zusätzlich zum Verteilertrakt wurde ein Prüfaufbau zur Vermessung der Förderkennlinie des Gebläses erstellt. Als Grundlage für den Aufbau von Modellen des maschinellen Lernens werden Trainingsdaten benötigt. Dabei werden in dieser Arbeit die Modelle zur Erzeugung dieser Daten als Grundmodelle bezeichnet. Durch abgeleitete Ersatzdruckverluste für Ausströmer und Luftkanäle konnte die Rechenzeit des eingesetzten CFD-Grundmodells für die benötigte Anzahl der Datenpunkte deutlich reduziert und so ein HVAC-Fluid-Modell in STARCCM+ abgeleitet werden. Darüber hinaus wurde ein Gebläse Grundmodell ebenfalls in STARCCM+ erstellt und anhand der Förderkennlinie validiert. Aufgrund der komplexen Strömungsvorgänge im Bereich der Gebläsezunge lässt sich die Förderkennlinie des Gebläses nur durch eine skalenauflösende Simulation in der benötigten Genauigkeit berechnen. Aufbauend auf die Validierung der Grundmodelle wurden reduzierte Metamodelle aus dem Bereich des maschinellen Lernens mit Hilfe der einer Python Toolbox P7 aufgebaut. Das Klimagerät besteht dabei aus mehreren Submodellen auf Basis von Gauß-Prozessen. Das initale Modell des Verteilertrakts erreicht dabei nicht die notwendige Genauigkeit zur virtuellen Applikation. Um die Genauigkeit zu steigern wurden ein Resamplingalgorithmus und eine lineare Fehlerbedingung entworfen und in einem erweiterten Modell umgesetzt. Die verschiedenen Submodelle wurden in einem gemeinsamen Klimagerät-Metamodell verschaltet. Durch den Einsatz der verwendeten Modellierung entsteht ein Informationsverlust an den Ausströmern. Gleichzeitig ist das Strömungsfeld der Ausströmer relevant für den thermischen Komfort in der Kabine. Um diesen Effekt zu kompensieren und die Ausströmer durch die unterschiedlichen geometrischen Längenmaße nicht im Gesamtfahrzeugmodell berechnen zu müssen, wurde ein reduziertes Modell für die Ausströmer auf Grundlage einer Hauptkomponentenanalyse abgeleitet. Dabei wurden die Strömungsfelder in ihre charakterisitschen Eigenformen und Eigenwerte zerlegt und die Eigenwerte durch ein Regressionsmodell abgebildet. Als Regelstrecke wurde ein Modell eines Porsche 911 4S (992) mit einem hohen Detaillierungsmaß als Gesamtfahrzeugmodell aufgebaut. Das Modell besteht aus einem Bewitterungsmodell, Fahrzeugmodell und Kabinenmodell. Die Software des Klimareglers wurde als FMU-Modell abgeleitet und mit dem Gesamtfahrzeugmodell, den reduzierten Modellen sowie einer Restbussimulation gekoppelt. Für zwei repräsentative Lastfälle wurde das Closed-Loop Verbundmodell anhand einer Klimawindkanalmessung validiert. Die Lastfälle entsprechen den VDI Vorgaben für Sommer- und Winterlastfälle zur Abbildung von Aufheiz- und Abkühlvorgängen. Anhand der Validierung konnte die Eignung des Modells zur virtuellen Applikation gezeigt werden.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen [312410]

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