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Macan Models: Fuel consumption (combined)9.2 – 6.1 l/100 km; C02 emissions (combined)216 – 159 g/km; Efficiency class: E–BSimulation of extremeconditions in a climaticwind tunnelThermal managementThe field of thermal managementoriginally arose from the need to protect components, in particular the engine,transmission, and all other parts in theengine compartment. Modern thermalmanagement now has three core areas,two of which are relatively new: improving comfort and reducing emissions.These individual areas will be discussedin detail on the following pages.coolant radiator is insufficient and further coolers have to be used.Several thousand liters of air per second are required to discharge these highcapacities to the environment via thecooler. A large part of the overall engine heat does not flow into the coolant,but is discharged into the atmosphere bymeans of convection.The potential heating of the enginecompartment due to this mechanismis a further focus of component pro-tection—heat protection. If the enginecompartment is overheated, components such as engine control units, sparkcoils or plugs can exceed their thresholdtemperatures. Reflectors, air vents, andactive ventilation from the subfloor orhood are used to counteract these hightemperatures.Even if threshold temperatures are notexceeded, lowering the temperature canbe sensible, for example to ensure thatcomponents can be operated more efficiently. ›Component protectionNearly every component in a vehiclehas a threshold temperature range inwhich it can operate. Keeping withinthis range is the focus of the component protection aspect of thermal management. An example of this is theengine, which must not be operated intemperature ranges in which cavitation(the formation and disintegration ofsteam-filled cavities in liquids), knocking, or thermo-mechanical stress cancause damage or result in a breakdown.This means that heat currents of up to100 kW might have to be discharged.Above a certain waste heat level onePreparing a cooler on a test benchINTELLIGENT THERMAL MANAGEMENTPorsche Engineering Magazine13

Comfort—warm feet and a cool headoRIGINALHEAT-PRoTEcTEdThe second core area of thermal management is improving the comfort, illustrated here by the appropriate air conditioning of the vehicle cabin. Moderncombustion engines and particularlyhybrid and electric vehicles produce solittle heat at low loads that sufficientinterior heating is no longer possiblewith conventional methods. Though, inorder to provide the necessary levels ofcomfort in the cabin, additional heating units are used to compensate for theheat deficit.Temperature (C)Representation of a simulated temperature reduction at a generatorwith intelligent heat protection measuresThe figure above shows the result ofheat protection measures for a generator. A two-component heat protectionplate has considerably reduced the heatexerted on the generator by the exhaustsystem. The generator temperature hasbeen considerably decreased, with theresult that efficiency could be raisedfrom 70 percent to 90 percent. As thethermally protected generator now hada considerably higher output, it couldbe replaced by a smaller, lighter, andcheaper component.Ensuring component protection has longbeen an established part of the series development of conventional vehicles. Onearea where new challenges and specialrequirements are arising is the thermalmanagement of (hybrid) electric vehicles.New heat-conducting materials andcooling concepts are being used to ensure component protection in vehicleswith alternative drive systems. Graphite, heat pipes, and vapor chambers areapproaches currently being developedto make the best use of hybrid components and to protect them againstundercooling and overheating. In particular, maintaining the optimum tem-14Porsche Engineering MagazinEperature for batteries has proven to bevery complex, as the different outputrequirements and cell types require different approaches. The article “Optimal Battery Temperature Management”(page 22) provides a deeper insight intothe design of such systems.One technological component in thisarea that is gaining in importance isthe heat pump that applies energy totransfer low temperatures to higherheat levels. When the heat transfer runsfrom high levels to a low temperaturelevel, the term used is air conditioning.The heat pump or air conditioning system can be driven thermally, thermoelectrically, or by a compressor. As analternative to using a heat pump as anThermo-acousticgeneratorHeat pumpHigh temperatureLow temperatureStackHeat ctional principle of a thermo-acoustic cooling systemINTELLIGENT THERMAL MANAGEMENTAmbienttemperature

FunctionsMODELTEST BENCHVALIDATION1D SIMULATIONVALIDATIONcodeCONTROL UNITAPPLICATIONFunctional development process sequence in thermal managementadditional heating unit, PTC heaters canbe used that provide warmth in a highlydynamic way.The rising number of technologicallydifferent devices makes it increasinglymore complex to find the optimum concept for one particular vehicle. To beable to compare various cooling concepts quickly and meaningfully, PorscheEngineering has developed several simulation and calculation tools.Compressor-driven cooling systemsare used in conventional cabin air conditioning. In this case a hermeticallysealed circuit compresses a gaseous medium with a compressor. This is liquefied in the downstream condenser andthe compressed hot coolant gives offits heat into the atmosphere. The heatcan be given off into the air at the frontend of the vehicle or alternatively into acooling circuit integrated in the overallvehicle cooling system. The liquid coolant is fed to a vaporizer via a throttle,turning from liquid to gas and therebyacquiring heat. The warmer cabin air isfed into the vaporizer and cooled, creating a pleasant climate in the vehicleinterior at high ambient temperatures.In winter, this process can be reversedso that the air conditioning system cannow be used for heating and therebyfunctions as a heat pump.The refrigerant R134a is largely used inpassenger car air conditioning systems,which in coming years will be replacedby more environmentally friendly alternatives. In addition to R1234yf, naturalcoolants such as carbon dioxide (CO2),referred to as R744 by specialists in thefield, will be used. The alternative coolant CO2 requires especially innovativesolutions to be capable of creating efficient cooling / heating circuits for passengers and components.INTELLIGENT THERMAL MANAGEMENTThe thermal dynamics experts atPorsche Engineering have even moreinnovative solutions in their repertoire.An interesting example of this is thethermo-acoustic air conditioning system (see illustration on the left page).Here, thermal energy from the engineis used to start oscillations in a resonator. These oscillations are used to drivea cooling system. For this to function,in addition to the resonator, so-calledstacks are required. Stacks are components that can convert thermal energyinto oscillations and vice versa. A stack(driver) generates a pressure gradientvia an externally created temperaturegradient and thereby an acoustic impulse in the resonator. The excitationcreated is then converted into a temperature gradient by the second stack(generator stack) so that the hot andcold sides that arise here can be usedas a heat pump. This alternative has nomoving parts and has the advan- ›Porsche Engineering Magazine15

tage that it only requires engine heat tooperate.mance while taking the engine geometry,number of cylinders and other parameters into account.performance of a thermal managementsystem integrated in a vehicle.Emissions reductionThe constant further development ofthe combustion engine and continuously falling emission and consumptionvalues means the demands on thermalmanagement are increasing. Downsizing sees the use of supercharged enginesthat have a high specific output, a widerevving range with maximum torque,and good transient response characteristics. However, the exhaust gas turbocharging required for this results ingreater levels of residual gas contentand higher temperatures and pressuresin the combustion chamber that in turnresult in an increased tendency towardsknocking in the engine. Later ignitionis required to prevent knocking. Thismeans a later combustion center ofgravity and therefore a lower engineefficiency level.Complete packagethermal managementIn addition to the fields of componentprotection and comfort, modern thermalmanagement is also playing an increasingly important role in reducing CO2emissions for example. The familiar engine thermostat alone is no longer sufficient for the thermal management ofmodern engines. While heating up, everydegree more of engine temperature cancontribute to reducing emissions.To be able to efficiently use the wasteheat generated by the engine, standingwater, integrated exhaust manifolds, andsplit cooling are used. So that useful engine heat is not lost into the atmosphere,engine encapsulation and the correctchoice of cooling system dimensioningmust be given exact consideration. Optimum valve control also plays an important role here as it contributes to minimizing CO2 emissions and waste heat.The effective cooling system size can beinfluenced by valves such as thermostatsor proportional valves. To increase thedynamic response of the cooling systemfor example, its size is scaled down, bydisconnecting thermal ballast such ascompensating reservoirs, air extractionducts or non-required plate heat exchangers via the controller.One basic task of thermal managementnot yet discussed is the determinationof the heat energy transferred to thecoolant. In conjunction with the analysis of real engine heat balances on thetest bench, simulations are used todesign the cooling system in the firstdevelopment phases. Porsche Engineering uses its own developed software forthis. This determines the relationshipbetween heat being transferred to thecoolant and effective engine perfor-16Porsche Engineering MagazineTo counteract this effect, Porsche Engineering is examining the possibilitiesof reducing intake temperatures. Coolerintake air reduces the likelihood ofknocking as well as the exhaust temperature, thereby increasing efficiencyand reducing CO2 output. Measuressuch as more efficient charge air coolersand using super cooling or refrigerantcooling are being investigated with theaim of reducing intake temperatures.Emissions cannot only be reduced bycomponents and parts; intelligent functions in the vehicle also have a role toplay (see article "Intelligent Functions").It is important that the many components in a vehicle cooling system aredoing the right thing at the right time.This is the only way to achieve goodoverall levels of efficiency and performance. Here it is also necessary thatnew functions are developed and applied in vehicle management systems.Only a combination of software andhardware can obtain the maximumINTELLIGENT THERMAL MANAGEMENTToday’s thermal management with itsthree major fields of component protection, comfort, and emissions reductiontakes on an important superdisciplinaryfunction in the overall vehicle. Conventional cooling concepts are increasinglybeing stretched to their limits and innovative approaches are gaining inimportance. The increasing complexity requires a better understanding anda greater degree of integration of thefields involved. n

Thermomanagement– 30 – 20 – 10 0 10 20 30 IntelligenteFunktionenFür ein aktives Thermomanagement in Fahrzeugen ist die Funktionsentwicklung fürKühlsysteme eine Grundvoraussetzung. In diesem Artikel erfahren Sie, wie genau diesebeiden Themen zusammenhängen und wie Porsche Engineering das optimale Zusammenspielim Entwicklungsprozess und in der Anwendung sicherstellt.Text: Thomas WarbeckEin leistungsfähiges und effizientesThermomanagement in Fahrzeugenerfordert nicht nur eine sorgfältige Auslegung von Kühlkreisläufen, sondernauch eine intelligente Steuerung der imKreislauf verbauten Teile. Hierbei wirdstets eine bedarfsgerechte Kühlung angestrebt, was bedeutet, dass jede Komponente wie zum Beispiel Verbrennungsmotor, Batterie oder E-Maschine imoptimalen Betriebstemperaturbereichliegt und im Kühlsystem verbaute Lüfterund Pumpen nicht unnötig in Betriebsind. Dadurch wird eine höhere Reichweite sowohl von brennstoffgetriebenenals auch von Elektrofahrzeugen ermöglicht. So werden beispielsweise Kühlerlüfter an kalten Tagen im Winter erst beihöheren Kühlwassertemperaturen zugeschaltet als im Sommer, wenn selbstnach Abstellen des Fahrzeugs für kurzeZeit oft noch Kühl bedarf besteht, umeine lokale Über hitzung von Kühlmitteln und Bauteilen zu vermeiden.Intelligentes ThermomanagementSolche Funktionen müssen im Entwicklungsprozess erarbeitet und schließlichim Motorsteuergerät hinterlegt werden.Besonders bei Prototypensteuergerätenerweist es sich als vorteilhaft, wenn sieschnell an neue Anforderungen undMessdaten angepasst werden könnenund mit der eigentlichen Entwicklungdes Kühlkreislaufs einhergehen.Von den Anfängen der Wasserkühlungzu schaltbaren Kühlkreisläufen mitKennfeldthermostatDie einfachste und älteste Art der Motorwasserkühlung ist die Thermosiphonkühlung. Hier wird Wasser nur aufgrundder Dichteunterschiede von warmemund kaltem Wasser in Motor und Kühlerumgewälzt. Nachdem warmes Kühlwasser vom Motor in den Kühler gelangt ist,wird es abgekühlt, sinkt nach unten undwird von dort dem Motor wieder ›Porsche Engineering Magazin17

�lzenzum kühlenhochladezustandhochumgebungs temperaturniedrigzelltemperaturniedrigumwälzenzum enzum kühlenhochumgebungs temperaturniedrigzelltemperaturniedrigumwälzenzum kühlenSchematische Darstellung einer Batteriekühllogik als Basis für die Funktionsentwicklungzugeführt. Durch Hinzufügen eines mechanisch angetriebenen Kühlerlüfterskonnte Anfang des 20. Jahrhunderts dieEffizienz gesteigert werden, auch wenneine Regelung zu diesem Zeitpunkt nochnicht möglich war.Der Einsatz einer Wasserpumpe verbesserte die Umwälzung, was zu höherenKühlleistungen führte. Um eine schnellere Aufheizung des Motors nach demKaltstart zu ermöglichen, wurde in denKreislauf schließlich ein Thermostatventil eingesetzt, wodurch das Kühlwassertemperaturabhängig über die Kühleroder an ihnen vorbeigeleitet werdenkonnte. Somit hatte das erste regelndeElement Einzug in den Kühlkreislaufgefunden.Stellglieder in KühlkreisläufenWährend sich einfache Thermostate beiErreichen der Betriebstemperatur öffnen und dem Kühlwasser den Weg zuden Kühlern freigeben, lassen sich moderne Varianten so ansteuern, dass die18Porsche Engineering MagazinÖffnungstemperatur des Thermostatventils zum Beispiel in Abhängigkeitvon der Motorlast angepasst werdenkann. Anfänglich wurde ein Lüfter mechanisch an den Motor gekoppelt undlief somit bei niedrigen Drehzahlen imStand langsam und im Fahrzustand mitgroßem Kühlluftmassenstrom entsprechend schnell. Heute ist eine elektrischeAnsteuerung möglich, die ein umgekehrtes Verhalten erzeugt.In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotorwerden mechanisch drehzahlabhängi ge Wasserpumpen derzeit noch standardmäßig verbaut, jedoch sind elektrischeund damit flexibel regelbare Wasserpumpen in Serienanwendungen immer häufiger vorzufinden. Hinzu kommen je nachAnwendung verschiedene Ventile, diezum Beispiel die Innenraumheizung vomKreislauf zu- oder abschalten können.Mehr als nur ein KühlkreislaufIn modernen Fahrzeugen wie zum Beispiel Hybriden ist ein einzelner KreislaufIntelligentes Thermomanagementaufgrund der Vielzahl an unterschiedlichzu temperierenden Komponenten längstnicht mehr ausreichend. Das Kühlwasser im Verbrennungsmotor kann nichtzur Temperierung von Batterien benutztwerden, da deren Betriebstemperaturin der Regel weitaus niedriger ist. DieAbstimmung und der Wärmeaustauschzwischen den Kühlkreisläufen sindebenfalls wichtige Teile des Thermomanagements, für die Kühlstrategien entwickelt und in Steuergeräte funktionenumgesetzt werden.Stetig steigende Nachfrage nachangepassten FunktionenInsbesondere aufgrund der immer strenger werdenden EU-Vorgaben hinsichtlich des CO2-Ausstoßes und anderenEmissionen wird eine intelligente Steuerung des Kühlsystems immer wichtiger.Für den Kunden sind darüber hinaus imFalle verschiedener hinterlegter Modiein verminderter Verbrauch, gesteigerter Komfort oder auch herausragendePerformance direkt spürbare Vorteile.

kühlung auskühlmodus 1kühlmodus 2kühlmodus 3kühlmodus 4Funktionsentwicklung als Prozess,Entwicklung von funktionellenKühlkreisläufenDie grundlegenden Funktionen imKühlsystem werden bereits währendder Auslegung des Kühlkreislaufesbestimmt. Verbaute Aktuatoren undSchnittstellen zwischen verschiedenenKreisläufen geben einen gewissen Spielraum vor. Es stellt sich die Frage, anhand welcher gemessenen Werte vonTemperaturen, Drücken oder auch vorgenommenen Einstellungen durch denEndkunden welche Aktuatoren verstelltwerden sollen.Zunächst werden die zu verwendendenEingangsgrößen festgelegt und somitbestimmt, auf welche Parameter dasKühlsystem reagieren soll. Solche Eingangsgrößen können beispielsweise dieKühlwassertemperatur oder die Umgebungstemperatur sein, aber auch Drehzahl und Last des Verbrennungsmotors.Im Batteriekühlkreislauf ist darüber hinaus auch der Ladezustand zu berücksichtigen, da die von den Zellen abgegebeneVerlustleistung und damit der Kühlbedarf hiervon abhängig sind. Auch füreine elektrisch angeschlossene Batterieheizung ist diese Größe interessant.Die Ausgangssignale sind überwiegenddurch die verbauten Aktuatoren vorgegeben, jedoch können auch weitereSignale ausgegeben werden, die ananderen Stellen der Motorsteuergerätsoftware Verwendung finden. Dies kannbeispielsweise dann der Fall sein, wenndie Anforderung zum Abschalten derKlimaanlage ans Motorsteuergerät gesendet werden soll.Nach Definition der Ein- und Ausgangssignale werden die eigentlichen Funktio nen beschrieben. In Abhängigkeit vomBetriebsmodus, dem Ladezustand derBatterie (SOC, engl. „state of charge“),der maximalen Zelltemperatur und derUmgebungstemperatur werden für jeweils unterschiedliche Kombinationenandere Setups gewählt. Wichtig istebenso die Definition von sinnvollenParametern, die während der Applikationim Fahrzeug noch einfach geändert werden können. Grenzwerte für den Ladezustand, die Umgebungs- und maximaleZelltemperatur sind Beispiele hierfür.Modellierung in MATLAB / SimulinkNach dem Entwurf müssen die gewünschten Funktionen mithilfe geeigneter Software modelliert werden. BeiPorsche Engineering g

About Porsche Engineering Creating forward-looking solutions was the standard set by Ferdinand Porsche when he started his design office in 1931. In doing so, he laid the foundation for today’s engineering services by Porsche. We renew our commitment to that example w