Masterarbeit Justus Voigt

 

Entwicklung eines Hardware-in-the-Loop Prüfstands zur modellbasierten Bewertung der thermischen Behaglichkeit in einem Elektrofahrzeug

HiL-Kabinenprüfstand Urheberrecht: EBC Entwicklung und Validierung des HiL-Kabinenprüfstands zur modellbasierten Bestimmung des thermischen Empfindens und Behaglichkeit

Durch die fortschreitende Elektrifizierung des Antriebs von Kraftfahrzeugen kommt der Effizienz der Klimatisierung aufgrund der geringeren mitgeführten Energiemenge eine entscheidende Rolle zu. Bei höherer Effizienz soll gleichzeitig keine Verminderung der thermischen Behaglichkeit des Nutzers im Fahrzeug auftreten.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Hardware-in-the-Loop Prüfstand entwickelt und in Betrieb genommen, mit dem neue Steuerungs- und Regelungskonzepte sowie modifizierte Hardware

des Klimatisierungssystems für Elektrofahrzeuge getestet werden können. Der Prüfstand ist aus einer bereits bestehenden Klimakammer sowie einer Fahrzeugkabine mit integrierter Klimatisierungseinheit aufgebaut. Die batterieelektrische Versorgung wird dabei über ein steuerbares Netzteil realisiert, sodass langfristig unterschiedliche Nutzungszyklen abgebildet werden können. Bei der Untersuchung stehen die Erfassung und Bewertung komfortrelevanter Parameter im Innenraum der Fahrzeugkabine im Fokus. Durch die Nutzung von Komfortmodellen lässt sich das thermische Empfinden und die thermische Behaglichkeit mit Hilfe dieser Parameter bestimmen. Ziel dieser Arbeit ist insbesondere die Implementierung der Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und die Kopplung an ein geeignetes Komfortmodell zur echtzeitfähigen Bewertung der thermischen Behaglichkeit. Dafür wird geeignete Sensorik ausgewählt und installiert. Die Speicherprogrammierbare Steuerung überträgt die gemessenen komfortrelevanten Umgebungsparameter im Innenraum in Echtzeit an das Komfortmodell, welches das thermische Empfinden und die thermische Behaglichkeit lokal aufgelöst berechnet und über die SPS ausgibt und aufzeichnet.

Da im Fahrzeug im Gegensatz zu Gebäuden lokal stark asymmetrische klimatische Bedingungen auftreten, die vor allem zu Beginn der Fahrt ebenfalls zeitliche Änderungen aufweisen, wird im zweiten Teil der Arbeit das ausgewählte Komfortmodell im Rahmen von Probandenuntersuchungen in Zusammenhang mit dem entwickelten Prüfstand validiert. Dazu wird ein für ein batterieelektrisches Lieferfahrzeug passendes Versuchsszenario entwickelt, das die Untersuchungsgegenstände Asymmetrie, Transienz und winterliche Umgebungsbedingungen abbildet. Das ausgearbeitete Versuchsszenario wird in der Klimakammer des Lehrstuhls für Gebäude- und Raumklimatechnik sowohl mit Probanden, als auch mit der installierten Messtechnik durchgeführt.Während der Versuchsdauer wird regelmäßig das thermische Empfinden und die thermische Behaglichkeit abgefragt.

In Folge werden die Ergebnisse der Probandenbewertungen sowie die über den Hardware-in-the-Loop Prüfstand simulativ ermittelten Bewertungen ausgewertet und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Simulationsergebnisse insbesondere beim thermischen Empfinden die Bewertungen der Probanden für einige Körperteile (z.B. Kopf und Rücken) gut widerspiegelt. Bei anderen Körperteilen (z.B. Unterschenkel und Füße) sind größere Abweichungen zwischen Simulation und Probandenbewertung vorhanden, deren Ursachen im Rahmen dieser Arbeit analysiert werden. Basierend auf den Ergebnissen werden Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt. Durch den in dieser Masterarbeit entwickelten Prüfstand ist es zukünftig möglich, bei bestimmten Bedingungen echtzeitfähige modellbasierte Prognosen hinsichtlich thermischen Empfindens und thermischen Komforts durchzuführen.