Modellierung und Simulation des Thermalmanagementsystems eines Elektrofahrzeuges

Abstract

Das Thermalmanagementsystem eines Elektrofahrzeugs ist einer der zentralen Ansatzpunkte zur Optimierung der Reichweite und der Lebensdauer des Fahrzeugs. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Thermalmanagementsystem eines Audi e-tron mithilfe eines Simulationsprogramms modelliert und simuliert. Das System wurde dabei in zwei Sub-Modelle unterteilt: ein Batteriemodell und ein Antriebsstrangmodell. Aus diesen beiden Modellen wurde anschließend ein Modell des gesamten Thermalmanagementsystems erstellt. Diese Modelle wurden individuell parametriert und anschließend anhand von Messdaten validiert. Mithilfe dieser Modelle konnte das Verhalten eines Elektrofahrzeugs in verschiedenen Messfahrten untersucht werden. Diese Messungen umfassen Schnellladevorgänge, Autobahnfahrten, Landstraßenfahrten und Stadtfahrten. Ziel war es, ein realistisches und stabiles Simulationsmodell auf Basis der serienmäßig verbauten Sensoren eines Fahrzeugs zu entwickeln. Das Modell sollte in der Lage sein, das thermische Verhalten des Fahrzeugs bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zuverlässig zu simulieren. Die Genauigkeit der Fahrzeugsensordaten war jedoch teilweise unzureichend, was die Qualität der Input-Daten beeinträchtigte. Zudem erschwerten fehlende Messstellen im Kältemittelkreislauf die Parametrierung des Modells. Die thermischen Teilmodelle für Hochvoltbatterie und Antriebsstrang lieferten genaue und robuste Ergebnisse. Das thermische Gesamtfahrzeugmodell stellt eine komplexe Problematik dar, da eine Vielzahl an Komponenten miteinander interagieren und nicht getrennt vom restlichen System betrachtet werden können. Insbesondere das Modell des Kältemittelkreislaufes führte zu numerischen Instabilitäten im System. Diese Instabilitäten führten zu Komplikationen bei der Parametrierung des Systems. Die Entwicklung eines thermischen Simulationsmodell des gesamten Fahrzeugs war dennoch erfolgreich. Die aus den Simulationen gewonnenen Erkenntnisse und identifizierten Probleme liefern wertvolle Informationen für die Entwicklung zukünftiger Simulationsmodelle für das Thermalmanagement. Ein verbessertes Modell kann dazu beitragen, die Thermalstrategie eines Elektroautos, besser zu verstehen und weiterzuentwickeln.

To optimize the range and lifetime of an electric vehicle, the thermal management system is a key focus. As part of this work, the thermal system of an Audi e-tron was modelled and simulated using a simulation program. Two sub-models were developed: one for the battery and another for the powertrain. These sub-models simplify parameterization because they operate independently of other vehicle components. The parameterized sub-models were then used to create an overall vehicle model. Each of these models was parameterized individually and then validated using measurement data. These models were used to investigate the thermal behavior of an electric vehicle in various driving cycles, including fast charging, freeway driving, country road driving and city driving. The aim was to develop a realistic and stable simulation model based on the sensors available in a production vehicle. The sub-models for the high-voltage battery and powertrain demonstrated the ability to produce accurate and reliable results. The development of the vehicle model for the thermal management system was more challenging due to the complex interactions among all the components. The model of the refrigerant circuit caused significant numerical instability. This made it difficult to set up and validate the model. The insights gained from the simulations and the identified challenges may contribute to the development of future simulation models for thermal management. An enhanced model can support a deeper understanding and improve the electric vehicle’s thermal strategies.