AT17087U1

AT17087U1 - Thermische emulationseinrichtung

Info

Publication number: AT17087U1
Application number: ATGM50008/2020U
Authority: AT
Inventors: Hohenberg Prof Dr -Ing Günter; Geneder Dipl Ing Stefan (Fh)
Original assignee: Ivd Prof Hohenberg Gmbh
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermische Emulationseinrichtung (7‘) zum Ersetzen und Nachbilden einer Komponente (2) eines Kühlkreislaufs (1) zur Untersuchung des dynamischen thermischen Verhaltens eines Kühlkreislaufs (1) und dessen Komponenten, mit zumindest einer Kühl- und/oder Heizeinrichtung (8‘). Um eine Untersuchung des dynamischen Betriebes eines Kühlkreislaufes zu ermöglichen ist vorgesehen, dass die thermische Emulationseinrichtung (7‘) zumindest einen dynamischen Konditioniermodul (8‘) mit zumindest einer Kühl- und/ oder Heizeinrichtung (9) aufweist, wobei der thermische Konditioniermodul (8‘) zwischen einer Eintrittsschnittstelle (15a) und einer Austrittsschnittstelle (15b) einen Hauptströmungsweg (100) aufweist und die Kühl- und/oder Heizeinrichtung (9) in einem Bypass-Strömungsweg (110) zum Hauptströmungsweg (100) angeordnet ist, wobei der Bypass-Strömungsweg (110) stromaufwärts der Kühl- und/ oder Heizeinrichtung (9) im Bereich einer Abzweigung (11a) vom Hauptströmungsweg (100) abzweigt und stromabwärts der Kühl- und/oder Heizeinrichtung (9) im Bereich einer Einmündung (11b) in den Hauptströmungsweg (100) einmündet, und wobei der Durchfluss des Kühlmittels durch den Bypass- Strömungsweg (110) mittels zumindest einer Durchflusssteuereinrichtung (25) veränderbar ist.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine thermische Emulationseinrichtung zum Ersetzen und Nachbilden einer Komponente eines Kühlkreislaufs zur Untersuchung des dynamischen thermischen Verhaltens eines Kühlkreislaufs und dessen Komponenten, mit zumindest einer Kühl- und/oder Heizeinrichtung. Weiters betrifft die Erfindung eine Prüfeinrichtung zum Untersuchen des dynamischen thermischen Verhaltens eines Kühlkreislaufs und dessen Komponenten, mit dieser thermischen Emulationseinrichtung.

[0002] Zur Auslegung des Kühlkreislaufs sind Prüfeinrichtungen bekannt, bei denen der Kreislauf mit allen Komponenten real aufgebaut und kalt, das heißt ohne nennenswerten Wärmeaustausch, betrieben wird. Derartige Prüfeinrichtungen werden als Kaltkreislaufprüfstand bezeichnet und dienen zur Dimensionierung und Überprüfung der Druckverluste im Kühlkreislauf sowie zur Untersuchung des Entlüftungsverhaltens.

[0003] In der Publikation „Modellbasierte Applikation Thermomanagement“, Martin Dellner, Audi Dissertationsreihe Band 120, KIT, 2017, ISBN: 978-3-7369-9519-2 wird eine Lösung beschrieben, die es ermöglicht, einen Kühlkreislauf im warmen Betrieb zu untersuchen, um die Wärmeentwicklung und den Wärmeaustausch der Komponenten sowie die Strategien zur Regelung und Steuerung, das sogenannte Thermomanagement, untersuchen und optimieren zu können. Dazu werden thermische Emulationseinrichtungen in den Kühlkreislauf integriert, welche den Wärmeaustausch einer Komponente nachbilden. Eine thermische Emulationseinrichtung verfügt dazu über eine Förderpumpe, eine Kühleinrichtung und eine Heizeinrichtung. Es werden zwei Varianten der Integration beschrieben, einmal mit präsenter realer Komponente und einmal ohne. Sofern die reale Komponente präsent ist, muss die Förderpumpe den Druckverlust Ap der Emulationseinrichtung kompensieren, das heißt, der Druckverlust Ap muss null betragen. Bei komplettem Ersetzen der realen Komponenten muss der Druckverlust Ap dem der realen Komponente Aprea entsprechen. Bauartbedingt ist es mit dem beschriebenen thermischen Emulator nicht möglich hochdynamische Vorgänge abzubilden. Die Vorgabe der Solltemperaturen und -durchflüsse erfolgt dabei durch Simulation eines Fahrzeugmodells inklusive Kühl- und Kältekreislauf unter Einbeziehung von Messgrößen. Es handelt sich um eine Close-Loop-Simulation.

[0004] Mit den bekannten Prüfeinrichtungen ist es möglich, den Druckverlust sowie den Wärmefluss so abzubilden, dass stationäre und langsame, dynamische Untersuchen damit durchgeführt werden können. Es können allerdings keine hochdynamischen Untersuchungen durchgeführt werden, da wesentliche Eigenschaften der Komponenten, die das dynamische Verhalten beeinflussen, wie die Kühlmedienlaufzeit, die Wärmekapazität sowie das Kreislaufvolumen verändert bzw. nicht abgebildet werden. Des Weiteren ermöglichen die bekannten Lösungen keine Nachbildung der Abkühlung und/oder des Erhitzens einer Komponente bei Nullmassenstrom des Kühlmediums.

[0005] Eine Heiz- oder Kühleinheit, die über eine ausreichende Dynamik besitzt, ist bereits aus dem Patent EP 3 293 504 B1 bekannt. Dabei wird eine hohe Dynamik durch eine Mischung erreicht, die im Gegensatz zu einem konventionellen Wärmeaustausch durch einen Wärmeübertrager erheblich schneller ist.

[0006] Die Anbindung von Konditioniergeräten mittels Closed-Loop Simulation aus einem thermischen Simulationsmodell ist aus EP 3 408 638 B1 bekannt. Die Sollgröße ergibt sich dabei aus der Online-Interaktion zwischen einem virtuellen thermischen Modell und einer realen Komponente und nicht einfach nur aus der Modellvorgabe. Vielmehr werden Veränderungen des realen Systems durch Messung erfasst und in der Simulation berücksichtigt.

[0007] Die Fig. 2a und 2b zeigen den Aufbau einer thermischen Emulationseinrichtung 7 nach dem Stand der Technik. Eine thermische Emulationseinrichtung 7 besteht dazu aus einer Kühlmittelfördereinrichtung 3, einer Kühleinrichtung 8a und einer Heizeinrichtung 8b. Es werden zwei Varianten dargestellt, einmal mit einer realen Komponente 2 (vgl. Fig. 2a) sowie einmal ohne dieser realen Komponente 2 (vgl. Fig. 2b). Sofern die reale Komponente 2 präsent ist, muss die

Kühlmittelfördereinrichtung 3 den Druckverlust Ap der Emulationseinrichtung 7 kompensieren, d.h. der Druckverlust Ap muss null betragen. Bei komplettem Ersetzen der realen Komponenten 2 muss der Druckverlust der realen Komponente Ap,ea durch die Kühlmittelfördereinrichtung 3 nachgebildet werden (Fig. 2b).

[0008] Mit den bekannten thermischen Emulationseinrichtungen ist es möglich, den Druckverlust sowie den Wärmerfluss von stationären und langsamen dynamischen Vorgängen darzustellen. Es können allerdings keine hochdynamischen Untersuchungen durchgeführt werden, da wesentliche physikalische Merkmale der zu emulierenden Komponenten, wie die Kühlmittellaufzeit, die Wärmekapazität sowie das Kreislaufvolumen nicht korrekt abgebildet werden. Des Weiteren ermöglichen die bekannten Lösungen keine Nachbildung der Abkühlung und/oder des Erhitzens einer Komponente bei Nullmassenstrom des Kühlmittels, der beispielsweise durch Abschaltung der Strömungspumpe im Kühlkreislauf verursacht wird.

[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Untersuchung des dynamischen Betriebes eines Kühlkreislaufes zu ermöglichen.

[0010] Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die thermische Emulationseinrichtung zumindest einen dynamischen Konditioniermodul mit zumindest einer Kühlund/oder Heizeinrichtung aufweist, wobei der thermische Konditioniermodul zwischen einem Eintritt und einem Austritt einen Hauptströmungsweg aufweist und die Kühl- und/oder Heizeinrichtung in einem Bypass-Strömungsweg zum Hauptströmungsweg angeordnet ist, wobei der Bypass-Strömungsweg stromaufwärts der Kühl- und/oder Heizeinrichtung im Bereich einer Abzweigung vom Hauptströmungsweg abzweigt und stromabwärts der Kühl- und/oder Heizeinrichtung im Bereich einer Einmündung in den Hauptströmungsweg einmündet, und wobei der Durchfluss des Kühlmittels durch den Bypass-Strömungsweg mittels zumindest einer Durchflusssteuereinrichtung veränderbar ist.

[0011] Die Kühl- und/oder Heizeinrichtung ist somit im Nebenschluss zum Hauptströmungsweg angeordnet. Durch die Mischung des Teilstromes mit dem Hauptkühlmittelstrom lässt sich ein hochdynamisches thermisches Verhalten emulieren.

[0012] Mit der erfindungsgemäßen thermischen Emulationseinrichtung ist es möglich, den dynamischen Betrieb eines Kühlkreislaufs zu untersuchen, wobei die emulierten Komponenten in ihrem dynamischen Verhalten richtig abgebildet werden.

[0013] In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine Durchflusssteuereinrichtung durch zumindest ein Steuerventil, vorzugsweise durch zumindest ein Mischventil gebildet ist, wobei vorzugsweise das Mischventil im Bereich der Abzweigung oder im Bereich der Eimündung angeordnet ist.

[0014] Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine Durchflusssteuereinrichtung durch zumindest eine im Bypass-Strömungsweg angeordnete erste Kühlmittelfördereinrichtung gebildet ist, wobei vorzugsweise die erste Kühlmittelfördereinrichtung durch eine Zahnradpumpe gebildet ist. Dies erlaubt es die Kühl- und/oder Heizeinrichtung räumlich entfernt vom Hauptströmungsweg anzuordnen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Hauptströmungsweg zumindest eine Mischkammer aufweist, wobei der Bypass-Strömungsweg im Bereich der Abzweigung von der Mischkammer ausgeht und im Bereich der Einmündung wieder in die Mischkammer einmündet.

[0015] Die thermische Emulationseinrichtung ist bevorzugt modular ausgebildet und kann somit variabel in unterschiedlichen Prüfeinrichtungen eingesetzt werden.

[0016] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist dabei zum Untersuchen des dynamischen thermischen Verhaltens eines Kühlkreislaufes eine Prüfeinrichtung mit zumindest einer thermischen Emulationseinrichtung vorgesehen, welche über eine Eingangsschnittstelle und eine Ausgangsschnittstelle in den Kühlmittelstrom eines Kühlkreislaufes eingebunden ist.

[0017] In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass im Kühlmittelstrom zwischen der thermischen Emulationseinrichtung und der ausgangsseitigen Emulationsschnittstelle

an Stelle einer wärmeübertragenden Komponente im Kühlkreislauf ein Anpassmodul angeordnet ist, wobei das Anpassmodul ausgebildet ist um eine Wärmekapazität, ein Volumen und/oder einen Druckverlust der wärmeübertragenden Komponente zumindest teilweise nachzubilden.

[0018] In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Ausgangsseite der thermischen Emulationseinrichtung über eine Rücklaufleitung mit der Eingangsseite der thermischen Emulationseinrichtung verbunden ist, wobei vorzugsweise eine Abzweigung der Rücklaufleitung vom Kühlmittelstrom stromabwärts des Anpassmoduls angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Nachbildung der Erhitzung und/oder Abkühlung der thermischen Massen einer realen Komponente oder eines Anpassmoduls für den Fall, dass der Kühlmittelstrom im Kühlkreislauf null ist. Um ein Ansaugen entgegen der Strömungsrichtung aus dem Kühlkreislauf zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn im Kühlmittelstrom stromabwärts der Abzweigung eine - vorzugsweise durch ein Rückschlagventil gebildete Ansaugverhinderung angeordnet ist.

[0019] Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft für eine Prüfeinrichtung mit einer Klimakammer. Dabei werden der zu prüfende Kreislauf in der Klimakammer und die Kühl- und/oder Heizeinrichtung der thermischen Emulationseinrichtung außerhalb der Klimakammer angeordnet.

[0020] Vorteilhafter Weise ist in dem zwischen dem innerhalb der Klimakammer angeordneten Hauptströmungsweg, vorzugsweise der Mischkammer des Hauptströmungsweges, und der auBerhalb der Klimakammer angeordneten Kühl- und/oder Heizeinrichtung der Bypass-Strömungsweg die raumübergreifend geführt, wobei im Bypass-Strömungsweg, vorzugsweise außerhalb der Klimakammer, zumindest eine erste Kühlmittelfördereinrichtung angeordnet ist. Raumübergreifend geführt bedeutet, dass ein Teil dem Hauptströmungsweg zugewandter bzw. zugeordneter Teil des Bypass-Strömungswegs innerhalb, und ein der Kühl- und/oder Heizeinrichtung zugewandter bzw. zugeordneter Teil des Bypass-Strömungsweges außerhalb der Klimakammer angeordnet ist.

[0021] Das erfindungsgemäße Verfahren zum thermischen Emulieren zumindest einer Komponente in einem Kühlkreislaufs unter Verwendung einer dynamischen thermischen Emulationseinrichtung sieht vor, dass aus einem Hauptkühlmittelstrom des Kühlmittelkreislaufes ein Teilstrom entnommen wird, durch eine im Nebenschluss zum Hauptkühlmittelstrom angeordnete Heizund/oder Kühleinrichtung geführt, dort erhitzt oder abgekühlt wird, und eine definierte Menge als Teilstrom wieder in den Hauptkühlmittelstrom zurückgeführt und mit diesem vermischt wird. Die Menge des entnommenen oder zugeführten Teilstromes kann mittels der Stellung eines Mischventils oder mittels der Drehzahl einer den Teilstrom fördernden Fördereinrichtung gesteuert werden.

[0022] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Fig. näher erläutert, die beispielhaft und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen.

[0023] Darin zeigen schematisch: [0024] Fig. 1a einen Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges,

[0025] Fig. 19 eine erfindungsgemäße Prüfeinrichtung zur Untersuchung eines Kühlkreislaufs und dessen Komponenten,

[0026] Fig. 2a eine thermische Emulationseinrichtung mit realer Komponente nach dem Stand der Technik,

[0027] Fig. 29 eine thermische Emulationseinrichtung zum Ersetzen einer Komponente nach dem Stand der Technik,

[0028] Fig. 3a eine erfindungsgemäße thermische Emulationseinrichtung in einer Ausführungsvariante sowie dessen Einbinden in einen Kühlkreislauf,

[0029] Fig. 3b einen thermischen Konditioniermoduls einer erfindungsgemäßen thermische Emulationseinrichtung in einer weiteren Ausführungsvariante,

[0030] Fig. 3c eine erfindungsgemäße thermische Emulationseinrichtung in einer weiteren Ausführungsvariante sowie dessen Einbinden in einen Kühlkreislauf,

[0031] Fig. 3d eine erfindungsgemäße thermische Emulationseinrichtung in einer weiteren Ausführungsvariante sowie dessen Einbinden in einen Kühlkreislauf,

[0032] Fig. 4 eine die Signal- und Wirkungsstruktur einer erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung und

[0033] Fig. 5 eine erfindungsgemäße Prüfeinrichtung in einer weiteren Ausführungsvariante.

[0034] Fig.1a zeigt einen typischen Kühlkreislauf 1 eines Fahrzeuges, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei kann ein Fahrzeug über mehrere Kühlkreisläufe auf unterschiedlichen Temperaturniveaus verfügen. Ein Kühlkreislauf 1 besteht aus mehreren wärmeübertragenden Komponenten 2, welche dem Kühlkreislauf 1 Wärmeenergie zu- oder abführen. Bei einer Komponente 2 kann es sich um eine Antriebskomponente 2a oder einen Wärmeübertrager 2b handeln. Ein Kühlkreislauf 2 besitzt zumindest eine Antriebskomponente 2a und einen Wärmeübertrager 2b. Die typische Wirkung unterscheidet sich dabei je nach Komponente 2. So können diese beispielsweise als Quelle (Verbrennungskraftmaschine, Elektromotor), Senke (Fahrzeugkühler, Kabinenheizer) oder als Quelle-und-Senke (Batterie, Brennstoffzelle, Getriebeölwärmeübertrager) wirken. Die Komponenten 2 sind über Verbindungselemente 5, typischerweise Rohre und Schläuche, verbunden. Zur Erregung eines Kühlmittelstroms existiert zumindest eine Primärfördereinrichtung 3a, welche typischerweise eine Strömungspumpe ist, welche mechanisch von einer Antriebskomponente 2a oder elektrisch angetrieben wird. Ein Kühlkreislauf 1 verfügt typischerweise über mindestens eine Steuer- und Regeleinheit 30, welche zum Ziel hat, mindestens eine Temperatur an einer Stelle des Kühlkreislaufs 1 auf einen gewünschten Sollwert einzustellen. Eine Steuer- und Regeleinheit 30 kann dazu eine Primärfördereinrichtung 3a oder über eine Fluidsteuereinrichtung 4 steuern. Diese Steuereinheit- und Regeleinheit 30 kann z. B. in einem Fahrzeugsteuergerät implementiert sein. Im Falle eines Thermostats ist die Steuer- und Regeleinheit 30 und die Fluidsteuereinrichtung 4 in einer Einheit kombiniert. Eine Fluidsteuereinrichtung 4 kann dabei ein einfaches Ventil, ein elektrisches Mischventil oder ein Thermostat sein. Mit Bezugszeichen 6 ist ein Ausgleichsbehälter bezeichnet. Derartige Kühlkreisläufe sind bekannt und werden daher nicht weiter ausgeführt.

[0035] Fig. 1b zeigt einen eine Prüfeinrichtung 1‘ zur Durchführung von Untersuchungen des dynamischen, thermischen Verhaltens eines Kühlkreislaufs 1 und dessen Komponenten 2. Dabei wird zumindest eine Komponente 2 des Kreislaufs 1 durch eine modulare dynamische thermische Emulationseinrichtung 7‘ ersetzt. Diese Emulationseinrichtung 7‘ bildet dabei das dynamische thermische Verhalten der ersetzen Komponente 2 realitätsnah nach. Des Weiteren existiert eine Mess- und Automatisierungseinrichtung 20, mit der Messgrößen MGi von Messeinrichtungen MEi erfasst werden können. Dies können Temperaturmesseinrichtungen (Widerstandssensoren, Thermoelemente), Durchflussmesseinrichtungen und/oder Druckmesseinrichtungen sein. Für die Messeinrichtungen gilt, dass sie über eine niedrige Ansprechzeit besitzen. Die Mess- und Automatisierungseinrichtung 20 kann einer Steuer- und Regeleinheit 30 zudem notwendige Signale bereitstellen.

[0036] Die Prüfeinrichtung 1‘ oder ein Teil des Kühlkreislaufs 1 mit realen Komponente 2 können sich dabei in einer Klimakammer 17 befinden wie in Fig. 5 dargestellt. Eine Prüfeinrichtung 1‘ kann selbstverständlich auch mehrere Kühlkreisläufe 1 umfassen.

[0037] Fig. 2a zeigt den Aufbau einer thermischen Emulationseinrichtung 7 nach dem Stand der Technik. Eine thermische Emulationseinrichtung 7 besteht dazu aus einer Kühlmittelfördereinrichtung 3, einer Kühleinrichtung 8a und einer Heizeinrichtung 8b. Es werden zwei Varianten der Integration beschrieben dargestellt, einmal mit einer realen Komponente 2 (vgl. Fig. 2a) sowie einmal ohne dieser realen Komponente 2 (vgl. Fig. 2b). Sofern die reale Komponente 2 präsent ist, muss die Kühlmittelfördereinrichtung 3 den Druckverlust Ap der Emulationseinrichtung 7 kompensieren, d.h. der Druckverlust Ap muss null betragen. Bei komplettem Ersetzen der realen Komponenten 2 muss der Druckverlust der realen Komponente Aprea durch die Kühlmittelfördereinrichtung 3 nachgebildet werden (Fig. 2b).

[0038] Mit den bekannten Prüfeinrichtungen ist es möglich, den Druckverlust sowie den Wärme-

fluss von stationären und langsamen dynamischen Vorgängen darzustellen. Es können allerdings keine hochdynamischen Untersuchungen durchgeführt werden, da wesentliche physikalische Merkmale der zu emulierenden Komponenten, wie die Kühlmittellaufzeit, die Wärmekapazität sowie das Kreislaufvolumen nicht korrekt abgebildet werden. Des Weiteren ermöglichen die bekannten Lösungen keine Nachbildung der Abkühlung und/oder des Erhitzens einer Komponente bei Nullmassenstrom des Kühlmittels, der beispielsweise durch Abschaltung der Strömungspumpe im Kühlkreislauf verursacht wird.

[0039] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine thermische Emulationseinrichtung vorzugeben, mit der es möglich ist, den dynamischen Betrieb eines Kühlkreislaufs zu untersuchen, wobei die emulierten Komponenten in ihrem dynamischen Verhalten richtig abgebildet werden.

[0040] Für das Verhalten einer Komponente sind folgende sechs physikalischen Merkmale richtig im Sinne von realitätsnah nachzubilden:

- Wärmeentwicklung und/oder -austausch durch die jeweilige Komponente bei strömendem Kühlmittel

- Wärmeentwicklung und/oder -austausch durch die jeweilige Komponente bei nicht strömendem Kühlmittel

- Wärmekapazität der jeweiligen Komponente

- Durchflusswiderstand der jeweiligen Komponente

- Kühlmittellaufzeit durch die jeweilige Komponente

- Kühlmittelvolumen

[0041] Zur Erfüllung dieser Forderung ist die Struktur einer thermischen Emulationseinrichtung 7‘ und dessen Einbindung in den Kühlkreislauf 1 von wesentlicher Bedeutung.

[0042] Fig. 3a stellt eine erfindungsgemäße Ausführung einer modularen dynamischen thermischen Emulationseinrichtung 7‘ sowie dessen Einbinden in den Kühlkreislauf 1 zum vollständigen Ersetzen einer Komponente 2 dar. Eine modulare dynamische thermische Emulationseinrichtung 7‘ verfügt über zumindest ein dynamisches Konditioniermodul 8‘. Dieses ist in Fig. 3a derart ausgeführt, dass aus dem Hauptkühlmittelstrom 10 des Hauptströmungsweges 100 im Bereich einer Abzweigung 11a über einen Bypass-Strömungsweg 110 ein Teilstrom 11 entnommen wird, durch eine Heiz- und Kühleinrichtung 9 geführt, dort erhitzt oder abgekühlt, und eine definierte Menge im Bereich einer Einmündung 11b als Teilstrom 11 wieder in den Hauptkühlmittelstrom 10 zurückgeführt wird. Die Kontrolle des Teilstroms 11 erfolgt durch eine Durchflusssteuereinrichtung 25, welche beispielsweise durch ein Mischventil 12 (Fig. 3a, 3c, 3d) oder durch eine erste Fördereinrichtung 3‘ mit Mischkammer 14 (Fig. 3b, 5) realisiert werden kann. Durch die Struktur der Einbindung und einer entsprechenden Ausführung einer thermischen Emulationseinrichtung 7‘ wird der Durchflusswiderstand des Hauptstroms 10 im Hauptströmungsweg 100 nur unwesentlich verändert. Zudem wird der Hauptstrom des Hauptströmungswegs 100 durch die Einbindung auch hinsichtlich der Kühlmittelvolumens und damit der Kühlmittellaufzeit nicht beeinflusst.

[0043] Die bevorzugte Ausführungsvariante mit Fördereinrichtung 3 mit Mischkammer 14 ist vorteilhaft hinsichtlich der Bauweise, d.h. dass die Fördereinrichtung 3 samt Kühl- und Heizeinrichtung 9 räumlich entfernt von der Mischkammer 14 sein können. Dies ist beim Einsatz in einer Klimakammer 17 von Vorteil, in der sich nur die Mischkammer 14 befinden muss, wie in Fig. 5 dargestellt.

[0044] Bei der Ausführung mit Mischventil 12 muss die Kühl- und Heizeinrichtung 9 räumlich nahe dem Kühlkreislauf 1 angeordnet sein. Die Kühleinrichtung ist in einer bevorzugten Ausführung als Wärmeübertrager mit Anschluss an eine Kaltmediumversorgung ausgeführt. Die Heizeinrichtung kann als Wärmetauscher mit Verbindung zu einer Heißmediumversorgung oder einem elektrischen Erhitzer ausgeführt sein.

[0045] Die Einbindung einer thermischen Emulationseinrichtung 7‘ kann dabei mit oder ohne präsenter realer Komponente 2 erfolgen. Bei abwesender realer Komponente 2 kann ein physikalisches Anpassmodul 13 vorhanden sein. Ein Anpassmodul 13 ermöglicht die physikalische Nachbildung der Wärmekapazität der Komponente, des Volumens und / oder des Druckverlustes Ap

der Komponente 2. Ein Anpassmodul 13 kann dabei die erwähnten Eigenschaften gar nicht, teilweise oder vollständig nachbilden. Teilbeiträge der physikalischen Merkmale können auch durch die modulare dynamische thermische Emulationseinrichtung 7° und/oder durch ein thermisches Simulationsmodell 23 erbracht werden. Beispielsweise kann die Simulation der Wärmekapazität der zu ersetzenden Komponente 2 durch ein thermisches Simulationsmodell 23 erfolgen. Die Ausführung eines Anpassmoduls 13 kann durch elementare Kreislaufkomponenten wie Rohre, Schläuche, eines Drosselventiles, eines thermischen Blocks oder einer geeigneten Kombination daraus erfolgen.

[0046] Die dynamische thermische Emulationseinrichtung 7‘ wird über eine Eingangsschnittstelle 15a und eine Ausgangsschnittstelle 15b in den Kühlmittelstrom eines Kühlkreislaufes 1 eingebunden. Wesentlich für das korrekte Verhalten ist, dass an der Ausgangsschnittstelle 15b die Emulationseinbindung die identischen physikalischen Merkmale zeigt wie die reale Komponente 2,

[0047] Über Messeinrichtungen MEi werden zumindest Temperaturen an der Eingangsschnittstelle 15a und an der Ausgangsschnittstelle 15b, die Druckdifferenz Ap zwischen der Eingangsschnittstelle 15a und der Ausgangsschnittstelle 15b und/oder der Volumenstrom des Hauptkühlmittelstromes 10 gemessen.

[0048] Fig. 3c zeigt eine Ausführungsvariante einer modularen dynamischen thermischen Emulationseinrichtung 7‘ mit einer dynamischen Konditioniereinheit 8‘.

[0049] In der in Fig. 3d gezeigten Ausführungsvariante der Erfindung erfolgt ebenfalls eine Einbindung eines modularen dynamischen thermischen Emulationseinrichtung 7‘ in einen Kühlkreislauf 1 über Eingangsschnittstelle 15a an einer Eingangsseite E und eine Ausgangsschnittstelle 15b an einer Ausgansseite A der Emulationseinrichtung 7‘, wobei eine zusätzliche zweite Fördereinrichtung 3“ und eine Ansaugverhinderung 16 integriert ist. Die Ausgangsseite A der thermischen Emulationseinrichtung 7‘ ist über eine Rücklaufleitung 27 mit der Eingangsseite E der thermischen Emulationseinrichtung 7° verbunden. Die Abzweigung 27a der Rücklaufleitung 27 vom Hauptströmungsweg 100 ist stromabwärts des Anpassmoduls 13 stromaufwärts der beispielsweise durch ein Rückschlagventil gebildeten Ansaugverhinderung 16 angeordnet. Die Einmündung der Rücklaufleitung 27 in den Hauptströmungsweg 27 im Bereich der Eingangsseite E der thermischen Emulationseinrichtung 7‘ ist mit Bezugszeichen 27b bezeichnet. Die in der Rücklaufleitung 27 angeordnete zweite Fördereinrichtung 3“ und die Ansaugverhinderung 16 dienen zur Nachbildung der Erhitzung und/oder Abkühlung der thermischen Masse einer realen Komponente 2 oder eines Anpassmoduls 13 für den Fall, dass der Kühlmittelstrom im Kreislauf 1 null ist.

[0050] Fig. 4 zeigt die Signal- und Wirkungsstruktur bei einer erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 1‘. Zur Sollwertvorgabe der thermischen Emulationseinrichtungen 7° ist erfindungsgemäß eine Simulationseinrichtung 22 (in Form von geeigneter Simulationshardware und/oder Simulationssoftware) vorgesehen. Diese Simulationseinrichtung 22 erzeugt aufgrund zumindest eines geeigneten thermischen Simulationsmodells 23 die Sollgrößen SGi. Diese können Temperaturen, Wärmeströme und/oder Fluidströme darstellen. Die Sollgrößen SGi werden an den modularen dynamischen thermischen Emulator 7‘ übergeben. Dort wird über die Regel- und Steuereinrichtung 21 und ein dynamisches Konditioniermodul 8‘ auf den Kühlkreislauf 1 eingewirkt und eine bestimmte Wärme zugeführt oder entzogen. Die Simulation erfolgt dabei vorzugsweise in Echtzeit. Ein thermisches Simulationsmodell 23 bildet dabei das Verhalten der zu ersetzenden Komponente 2 nach. Durch die Bereitstellung der Messgrößen MGi des Kühlkreislaufs 1 für die Simulationseinrichtung 22 kann diese Änderungen im Kühlkreislauf 1 im Simulationsmodell 23 berücksichtigt werden. Die Simulationseinrichtung 22 kann dazu mit der Mess- und Automatisierungseinrichtung 20 Signale austauschen. Die „Simulationsschleife“ ist geschlossen und es handelt sich um eine „In-the-Loop“ Simulation. Auf diese Weise ergeben sich realitätsnahe Prüfläufe an der Prüfeinrichtung 1°.

[0051] Zusätzlich zu den thermischen Simulationsmodellen 23 sind in der Simulationseinrichtung 22 auch nicht-thermische Simulationsmodelle 24 enthalten, wie beispielsweise ein Fahrzeugmodell, ein Antriebsmodell, ein Fahrermodell, ein Streckenmodell, ein Belastungsmodell und/oder

ein Umgebungsmodell. Die verschiedenen Simulationsmodelle arbeiten dabei zusammen, um den Prüflauf unter Berücksichtigung der thermischen Interaktion der emulierten Komponenten mit dem Kühlkreislauf 1 umzusetzen. Das thermische Simulationsmodell 23 kann Größen erhalten von anderen Modellen, beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit aus einem Fahrzeugmodell oder Umgebungsbedingungen, wie z.B. die Lufttemperatur, aus einem Umgebungsmodell. Über ein Belastungsmodell können beispielsweise in Form von Solltrajektorien vorgegeben werden.

[0052] Die beschriebene erfindungsgemäße dynamische thermische Emulationseinrichtung 7‘ zum Ersetzen und Nachbilden einer Komponente im Kreislauf ermöglicht es auf einfache Weise genaue Untersuchungen des dynamischen Verhaltens eines Kühlkreislaufes 1 und dessen Komponenten durchzuführen.

Claims

Ansprüche

1. Thermische Emulationseinrichtung (7°) zum Ersetzen und Nachbilden einer Komponente (2) eines Kühlkreislaufs (1) zur Untersuchung des dynamischen thermischen Verhaltens eines Kühlkreislaufs (1) und dessen Komponenten, mit zumindest einer Kühl- und/oder Heizeinrichtung (8°), dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emulationseinrichtung (7°) zumindest einen dynamischen Konditioniermodul (8°) mit zumindest einer Kühl- und/oder Heizeinrichtung (9) aufweist, wobei der thermische Konditioniermodul (8°) zwischen einer Eintrittsschnittstelle (15a) und einer Austrittsschnittstelle (15b) einen Hauptströmungsweg (100) aufweist und die Kühl- und/oder Heizeinrichtung (9) in einem Bypass-Strömungsweg (110) zum Hauptströmungsweg (100) angeordnet ist, wobei der Bypass-Strömungsweg (110) stromaufwärts der Kühl- und/oder Heizeinrichtung (9) im Bereich einer Abzweigung (11a) vom Hauptströmungsweg (100) abzweigt und stromabwärts der Kühl- und/oder Heizeinrichtung (9) im Bereich einer Einmündung (11b) in den Hauptströmungsweg (100) einmündet, und wobei der Durchfluss des Kühlmittels durch den Bypass-Strömungsweg (110) mittels zumindest einer Durchflusssteuereinrichtung (25) veränderbar ist.

2. Thermische Emulationseinrichtung (7°) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Durchflusssteuereinrichtung (25) durch zumindest ein Steuerventil, vorzugsweise durch zumindest ein Mischventil (12) gebildet ist.

3. Thermische Emulationseinrichtung (7°) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das das Mischventil (12) im Bereich der Abzweigung (11a) oder im Bereich der Eimündung (11b) angeordnet ist.

4. Thermische Emulationseinrichtung (7°) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Durchflusssteuereinrichtung (25) durch zumindest eine im Bypass-Strömungsweg (110) angeordnete erste Kühlmittelfördereinrichtung (3°) gebildet ist, wobei vorzugsweise die erste Kühlmittelfördereinrichtung (3°) durch eine Zahnradpumpe gebildet ist.

5. Thermische Emulationseinrichtung (7°) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptströmungsweg (100) zumindest eine Mischkammer (12) aufweist, wobei der Bypass-Strömungsweg (110) im Bereich der Abzweigung von der Mischkammer (12) ausgeht und im Bereich der Einmündung (11b) wieder in die Mischkammer (12) einmündet.

6. Prüfeinrichtung (1) zum Untersuchen des dynamischen thermischen Verhaltens eines Kühlkreislaufs (1) und dessen Komponenten, mit zumindest einer thermischen Emulationseinrichtung (7°) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emulationseinrichtung (7°) über eine Eingangsschnittstelle (15a) und eine Ausgangsschnittstelle (15b) in den Kühlmittelstrom eines Kühlkreislaufes (1) eingebunden ist.

7. Prüfeinrichtung (1°) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelstrom zwischen der thermischen Emulationseinrichtung (7°) und der Ausgangsschnittstelle (15b) an Stelle einer wärmeübertragenden Komponente (2) im Kühlkreislauf (1) ein Anpassmodul (13) angeordnet ist, wobei das Anpassmodul (13) ausgebildet ist um eine Wärmekapazität, ein Volumen und/oder einen Druckverlust (Ap) der wärmeübertragenden Komponente (2) zumindest teilweise nachzubilden.

8. Prüfeinrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsseite (A) der thermischen Emulationseinrichtung (7°) über eine Rücklaufleitung (27) mit einer Eingangsseite (E) der thermischen Emulationseinrichtung (7°) verbunden ist, wobei vorzugsweise eine Abzweigung (27a) der Rücklaufleitung (27) vom Kühlmittelstrom stromabwärts des Anpassmoduls (13) angeordnet ist.

9. Prüfeinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelstrom stromabwärts der Abzweigung (27a) eine - vorzugsweise durch ein Rückschlagventil gebildete - Ansaugverhinderung (16) angeordnet ist.

10. Prüfeinrichtung (1°) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zu prüfende Kreislauf (1) in einer Klimakammer (17) und die Kühl- und/oder Heizeinrichtung (9) der thermischen Emulationseinrichtung (7°) außerhalb der Klimakammer (17) angeordnet sind.

11. Prüfeinrichtung (1°) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem innerhalb der Klimakammer (17) angeordneten Hauptströmungsweg (100), vorzugsweise der Mischkammer (14) des Hauptströmungsweges (100), und der außerhalb der Klimakammer (17) angeordneten Kühl- und/oder Heizeinrichtung (9) der Bypass-Strömungsweg (110) raumübergreifend geführt ist, wobei im Bypass-Strömungsweg (110), vorzugsweise außerhalb der Klimakammer (14), zumindest eine erste Kühlmittelfördereinrichtung (3°) angeordnet ist.

12. Verfahren zum thermischen Emulieren zumindest einer Komponente (2) in einem Kühlkreislaufs (1) mit einer thermischen Emulationseinrichtung (7°) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Hauptkühlmittelstrom (10) des Kühlmittelkreislaufes (1) eine definierte Menge als Teilstrom (11) entnommen wird, durch eine im Nebenschluss zum Hauptkühlmittelstrom (10) angeordnete Heiz- und/oder Kühleinrichtung (9) geführt, dort erhitzt oder abgekühlt wird, und wieder in den Hauptkühlmittelstrom (10) zurückgeführt und mit diesem vermischt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des entnommenen und/oder zugeführten Teilstromes (11) mittels der Stellung eines Mischventils (12) gesteuert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des entnommenen und/oder zugeführten Teilstromes (11) mittels der Drehzahl einer den Teilstrom (11) fördernden ersten Fördereinrichtung (3°) gesteuert wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen