Hardware in the Loop Tests for thermal systems

Testing on test benches take up a lot of resources, are tedious and expensive. We enable tests with virtual prototypes of heat pumps, refrigerators or energy technology plants. This increases your test coverage, improves the quality of your control software and avoids errors in the field.

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DISCOVERING THE POTENTIAL OF HIL

Test bench vs. hardware-in-the-loop testing

Modelling thermal systems such as refrigeration cycles in heat pumps is extremely complex. This is why control systems are often tested as they were 40 years ago: in elaborate experiments on test benches in the laboratory.

In contrast, hardware-in-the-loop (HiL) tests have long been established in the development of controllers for mechanical and electronic systems. Here, the controlled system is mapped virtually as a simulation model. In this way, the control unit can be tested in a closed control loop, even without a real prototype of the plant.

Tests on the test bench

Test benches always fully booked

Time pressure

Is everything really tested?

Long iteration loops

Limited reproducibility

Software problems only discovered by the customer

Risk of callbacks due to increasingly complex functions

Another compressor destroyed...

Hardware-in-the-loop tests

Parallel development of hardware and software

100% test coverage

Perfect reproducibility

Protection during software updates

Fewer complaints

Automation

Shorter development cycles

Closed loop tests from the beginning

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YOUR ADVANTAGES WITH HIL

Test better, increase quality, develop faster

Easy testing even under extreme conditions

Faults often occur under extreme conditions. On the test bench in the laboratory, extreme conditions are associated with a great deal of effort.

In hardware-in-the-loop tests, extreme conditions can be simulated very easily. No matter whether 20 °C or -60 °C. That way you can find errors already during tests and not only in the field.

Test at any time, even without a test bench

Via HiL, you can test the current software status in a closed control loop at any time. Also automated over night.

Regression tests possible with software updates

Measurements on the test bench always contain uncertainties. Tests with simulation models are 100 % reproducible. This means that errors can be avoided in future software updates through regression tests.

Increase quality of control software, reduce complaint rate

HiL tests with a virtual prototype enable early and systematic testing. This allows you to detect problems and errors early in the development process. Not just on the test bench in the laboratory or in the field at the customer.

Reach the market faster

With the simulation models as virtual prototypes, regulations can be tested from the first idea to the final version, allowing software and engineering teams to work in parallel. This saves time and enables shorter development cycles.

References

NEUMAN & ESSER

Webbasierter Simulator für Wasserstofftankstellen

Zur Unterstützung des technischen Vertriebs bei NEUMAN & ESSER haben wir eine maßgeschneiderte webbasierte Anwendung zur dynamischen Simulation von Wasserstofftankstellen entwickelt.

Kundenanforderungen wie Typ und Anzahl der betankten Fahrzeuge können gewählt werden. Die Tankstelle kann detailliert konfiguriert werden und in einer Simulation wird das dynamische Verhalten des Gesamtsystems für einen typischen Zeitraum berechnet.

Mit diesem Tool können Vertriebsmitarbeiter ohne zeitraubende Umwege über Ingenieure das Produkt "Tankstelle" entsprechend den Kundenanforderungen konfigurieren. Interessenten bekommen ein direktes und detailliertes Feedback.

Hydrogen Refueling Station Simulation and Design Tool by NEUMAN & ESSER, Youtube video

Emerson

Konzepte für Supermarkt-Kälteanlagen mit CO2-Kreislauf

Emerson entwickelt Komponenten und Systeme für die Supermarktkälte. Aufgrund seiner Umweltvorteile gewinnt CO2 als Kältemittel in diesem Bereich immer mehr an Bedeutung. Aber im Vergleich zu traditionellen Kältemitteln sind die thermodynamischen Eigenschaften von CO2 völlig anders (hohe Drücke und niedrige kritische Temperatur). Das Design von effizienten CO2-Zyklen ist eine Herausforderung und es gibt viele verschiedene vorgeschlagene Zykluskonzepte. Gemeinsam mit Emerson-Experten haben wir Simulationsmodelle für eine Reihe verschiedener Konzepte entwickelt und eine Simulationsstudie durchgeführt, um die saisonale Effizienz dieser Zyklen zu vergleichen.

Eric Winandy et al: Bewertung der saisonalen Effizienz verschiedener CO2-Booster-Architekturen für unterschiedliche Klimazonen. DKV Jahrestagung, 2018

Vaillant

Wärmepumpen­modellierung für HiL-Tests

Vaillant hat in der Entwicklung von Wärmepumpenreglern eine umfassende Teststrategie etabliert. Bevor die Regler im Labor an reale Wärmepumpen angeschlossen werden, werden sie an virtuelle Wärmepumpen angeschlossen, die auf einer speziellen Echtzeit-Simulationshardware und -software von dSPACE laufen. Entscheidend für diese sogenannten Hardware-in-the-Loop (HiL)-Tests sind Simulationsmodelle der Wärmepumpen. Wir haben diese Modelle für Vaillant mit unserer Modelica-Bibliothek TIL Suite entwickelt und eine zuverlässige Werkzeugkette aufgebaut, um diese Modelle auf die dSPACE-Plattform zu exportieren. Die Modelle beinhalten ein vollständiges dynamisches physikalisches Modell des Kältekreislaufs. Es kann die Umschaltung der Kältemittelflussrichtung, die durch unterschiedliche Modi für Abtauung, Heizung und Kühlung verursacht wird, verarbeiten. Vaillant erkennt nun Probleme im Regelungscode viel früher und spart mit diesen virtuellen Tests eine beträchtliche Menge an teuren Laborversuchen.

Manuel Gräber et al.: Physical Modeling of Heat Pumps for Hardware-in-the-Loop Testing. 13th International Modelica Conference, 2019

WHY TLK ENERGY

Fast and robust models for thermodynamic systems

TIL Suite: Our special library for thermodynamic systems

We have co-developed the TIL Suite together with our partner company TLK Thermo over the last 15 years and established it worldwide. With the latest methods, we can also robustly calculate zero mass flow and flow reversal.

Modelica Training bei TLK Energy

Expertise in thermodynamics and numerics

In HiL tests, Euler solvers with a fixed step size are standard. For thermodynamic systems, this quickly reaches its limits. We use numerical differential equation solvers with variable step size. This way we can achieve 100 % robustness.

Modelica Training bei TLK Energy

FMI interface: Use the software of your choice

Thanks to the FMI interface, our models are compatible with HiL software from various suppliers such as dSPACE or Mathworks/Speedgoat. You can easily integrate our models into your existing in-house solutions.

Modelica Training bei TLK Energy

OUR OFFER

Hardware in the Loop Tests for Thermal Systems with TLK

TIL Suite - The library for thermodynamic systems

  • Create real-time models
  • Fast material data calculation
  • Models exportable as C code (FMI)
  • Robust even with flow reversal and zero mass flow

Support in setting up your internal processes

  • Selection of suitable HiL software and hardware
  • Development of a modelling process and training of your team
  • Analysis and solution of numerical problems
  • Sharing of experience and best practices

Creation of real-time capable and robust system models

  • Complete model creation
  • Evaluation of measurement data and data sheets of individual components
  • Parameter identification

Tested tool chains with established HiL solutions

  • dSPACE, Mathworks/Speedgoat
  • Frequent compatibility tests for software updates
  • Close contact to the technical developers

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