Abstract
Die Entwicklung von elektromechanischen Systemen im automotiven Bereich birgt verschiedene Herausforderungen und Schwierigkeiten, für die nach dem momentanen Stand der Technik noch keine, in der Industrie etablierten, Lösungen zur Verfügung stehen. Solche Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass eine große Anzahl von technischen Komponenten zu einem umfangreichen Gesamtsystem verbunden, und zusätzlich sehr oft durch Mikrorechner gesteuert oder geregelt, werden. Der Entwicklungsprozess gestaltet sich dementsprechend
komplex und kann mit konventionellem Prototypenbau nur schwer zufriedenstellend bewältigt werden. Eine Möglichkeit solche Entwicklungsprozesse, zu verbessern ist die Verwendung von Simulationswerkzeugen. Viele, der in der Industrie etablierten, Simulationswerkzeuge sind auf die Simulation bestimmter
Teilaspekte (Regelung, Schaltkreise, Thermodynamik, etc.) von elektromechanischen Systemen spezialisiert und deshalb für Gesamtsystem-Simulationen nur schwer nutzbar. In dieser Arbeit sind die Gesamtsystem-Simulationen mit Modelica, einem Programmierstandard, der die gleichzeitige Simulation verschiedener physikalischer Phänomene sehr gut unterstützt, aufgebaut.
Mit dem Umfang von elektromechanischen Systemen steigt auch der Rechenaufwand für die Gesamtsystem-Simulationen. Es gibt Methoden für die Optimierung der Rechenzeit von Simulationsmodellen durch Vernachlässigung insignifikanter physikalischer Effekte (für bestimmte Fragestellungen). Eine Auswahl dieser Methoden werden in dieser Arbeit beschrieben. Weiters wird deren Nutzen in einer Studie durch den Vergleich von Rechenzeiten belegt. Die Vorteile von multiphysikalischer Simulation mit optimierten Simulationsmodellen werden genutzt, um Entwicklungsarbeiten für eine batteriebetriebene Klimaanlage in einem LKW durchzuführen. Durch die Elektrifizierung der Klimaanlage und die Implementierung eines Hybridantriebskonzepts kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. In den meisten Kraftfahrzeugen wird die Klimaanlage mechanisch vom Verbrennungskraftmotor angetrieben. Anhand verschiedener Simulationsergebnisse für die batteriebetriebene Klimaanlage wird gezeigt, wie sich die Optimierung des Gleichspannungswandler-Modells in der Gesamtsystem-Simulation auswirkt. Durch Schaltkreisanalyse und anschließende System-Mittelung und -Linearisierung wird das Regelverhalten der gewählten Gleichspannungswandler-Topologie für die batteriebetriebene Klimaanlage detailliert untersucht.
Die gewählte Gleichspannungswandler-Topologie zeichnet sich dadurch aus, dass im Gegensatz zu anderen Topologien einfachere Bauteile zum Einsatz kommen können. Im Rahmen der Detailuntersuchungen der Gleichspannungswandler-Topologie wird zum Bauteilschutz bei
transienten Vorgängen im Großsignalverhalten eine Spulenstrombegrenzung vorgeschlagen und durch Simulation
verifiziert. Außerdem werden vier verschiedene Möglichkeiten für die Regelung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, die gleichzeitig den Spannungszwischenkreis für den Antrieb der Klimaanlage bildet, untersucht und verglichen. Zwei der vorgeschlagenen Regelungen zeichnen sich durch eine vereinfachte
Einstellung der Reglerwerte und ein erhöhtes Maß an Robustheit gegenüber den anderen beiden Varianten aus.
The development of electromechanical systems for automotive applications is very challenging because usually such systems contain a huge number of individual components. In many cases these components are controlled by a micro computer system, which switches between the different states of operation. Due to the complexity
of such electromechanical systems difficulties arise in the planning and verification phase of the design process. In the planning phase the interactions of all components, which are difficult to overlook, have to be taken into account and in the verification phase the building of prototypes requires a lot of resources if no computer
aided tools are used. Using simulation tools the development process of electromechanical systems can be improved. Many of the simulation tools that are widely used in industry are specialized on the analysis of individual aspects of the development of electromechanical systems. Some of these aspects are control design, electric circuit design and thermodynamics. A simulation tool applicable for the support of the design process of electromechanical
systems should be capable of calculating as many effects and physical phenomena as possible. Therefore, the open programming standard Modelica is used in this work for the development of full-system-simulations. The higher the complexity of the electromechanical system, that is to be developed, the higher the
calculation times of the respective simulations. In order to keep the simulation times of vast systems as small as possible it is necessary to implement methods for calculation time optimization. These methods are based on the fact that for specific analyses certain physical effects can be disregarded if they only have insignificant influence on the results. Two methods for calculation time optimization are explained in this work. The benefit of these methods is proofed by the comparison of calculation times in a study.
The advantages of multi-physical simulations combined with the application of optimized simulation models are utilized for the development of a battery sourced air conditioning system for heavy duty vehicles. With the electrification of the air conditioning system and the implementation of a hybrid drive train the fuel consumption of a vehicle can be reduced. However, in most state-of-the-art vehicles the air conditioning system is driven directly by the internal combustion engine, which is not very efficient. Simulation results of the battery sourced air conditioning system are presented in this work and the influence of the dc-to-dc converter model on the calculation of the energy flow is investigated. Also the control of the dc-link voltage is analyzed.
The chosen dc-to-dc converter topology, to some extend, allows the application of simpler components then other topologies. Using the methods of system averaging and system linearization a linear model applicable for control design is derived. The control behavior of the dc-to-dc converter is investigated in detail and a possible current limitation for system protection is proposed. Four different control systems for the converter output voltage, which corresponds to the dc-link voltage in the battery sourced air conditioning system, are presented and compared. It is shown that the structures of two presented control systems account for more robustness and easier controller parameterization.
Originalsprache | Deutsch |
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Gradverleihende Hochschule |
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Betreuer/-in / Berater/-in |
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Publikationsstatus | Veröffentlicht - 2008 |
Research Field
- Nicht definiert
Schlagwörter
- Produktentwicklung
- Simulation
- Klimaanlage
- Gleichspannungswandler
- Spannungsregelung
- product development
- simulation
- air conditioning
- dc-to-dc power conversion
- voltage control