TAITherm座艙熱管理與續(xù)航里程

新能源汽車?yán)m(xù)航里程受限于電池包容量，因此有限的電池能量如何實(shí)現(xiàn)較高效的利用，是減輕用戶續(xù)航焦慮的關(guān)鍵。冬夏季座艙溫控是能耗大戶，因此新能源汽車在設(shè)計(jì)座艙熱管理系統(tǒng)時(shí)，必須均衡考慮座艙舒適性與續(xù)航里程。

基于人體熱舒適度的座艙熱管理方案設(shè)計(jì)

隨著用戶對(duì)座艙熱舒適性方面的要求日益提高，單純通過空調(diào)降溫、采暖過程中溫度變化對(duì)人體舒適度進(jìn)行間接評(píng)價(jià)已經(jīng)無法滿足開發(fā)需求，因此需要基于準(zhǔn)確的人體生理模型和更直觀的熱舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)座艙熱管理系統(tǒng)開發(fā)。

熱舒適度建模

TAITherm綜合考慮如性別、胖瘦和膚色等人體生理特性，人體新陳代謝、血液流動(dòng)、出汗、呼吸、運(yùn)動(dòng)量等生理機(jī)能，以及較完善的環(huán)境條件，基于改進(jìn)Fiala生理模型分析人體體溫調(diào)節(jié)功能及整體熱感覺。

圖1 座艙內(nèi)人體熱舒適性影響因素

熱舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

TAITherm采用Berkeley模型對(duì)人體整體和局部的熱感覺和熱舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法被廣泛認(rèn)為是更科學(xué)的人體熱舒適度研究方法。Berkeley評(píng)價(jià)模型等級(jí)設(shè)定如下圖所示，Sensation熱感知表示人感受到熱或冷的程度，Comfort熱舒適度表示人感覺好或壞的程度。

圖2 Berkeley舒適度模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

專業(yè)熱設(shè)計(jì)軟件TAITherm，基于詳細(xì)的生理模型提供人體熱舒適度分析方案，輸出PMV、PPD、DTS以及Berkeley等舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)，為座艙熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)提供依據(jù)。

應(yīng)用案例

本節(jié)主要通過兩個(gè)案例展示基于人體舒適度評(píng)價(jià)對(duì)冬季采暖方案和車身隔熱方案設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

案例一

基于人體熱舒適度對(duì)不同采暖方案效果和能耗進(jìn)行評(píng)估，對(duì)混合采暖方案能量分配進(jìn)行優(yōu)化，在保證人體舒適度的前提下，降低座艙熱管理系統(tǒng)的功耗，緩解里程縮短。

圖3 汽車座艙模型

分析對(duì)比三種冬季采暖方案，分別為HVAC吹面模式、HVAC吹面+吹腳模式、HVAC+局部采暖，局部采暖方案中定義了五種不同的加熱表面，接近腳在底部的控制臺(tái)、頂棚輻射板、座椅靠背和座椅底部及方向盤。

該案例在Cotherm中耦合仿真流程如下圖所示。Cotherm優(yōu)化流程需要的變量輸入包括HVAC采暖功率、頂棚輻射板功率、座椅背部加熱功率、座椅底部加熱功率、方向盤加熱功率。

圖4Cotherm優(yōu)化流程

Cotherm中集成了多種全局優(yōu)化算法和局部?jī)?yōu)化算法，本案例采用Direct全局優(yōu)化算法。成本函數(shù)考慮功耗和達(dá)到熱舒適時(shí)間，迭代次數(shù)300次。首先更新優(yōu)化變量，運(yùn)行TAITherm求解座艙熱模型，獲取當(dāng)前輸入變量方案的功耗和達(dá)到熱舒適度時(shí)間，計(jì)算成本函數(shù)值，保存分析結(jié)果。通過優(yōu)化算法最小化成本函數(shù)值，進(jìn)行300次迭代優(yōu)化，獲取較優(yōu)組合方案。經(jīng)過Cotherm迭代優(yōu)化，得到三種采暖方案功耗和人體熱舒適度結(jié)果如下：

圖5座艙溫度結(jié)果對(duì)比

在功耗方面，HVAC吹面方案、HVAC吹面吹腳方案、HVAC＋局部采暖方案的總功耗分別為3376W、3334W和942W，其中HVAC＋局部采暖方案較低。三種采暖方案，駕駛員總體熱感知和熱舒適度詳細(xì)變化過程如下圖所示：

圖6熱感知和舒適度等級(jí)瞬態(tài)變化

從駕駛員熱感知和熱舒適度瞬態(tài)變化結(jié)果可以看出，進(jìn)入車內(nèi)瞬間人體會(huì)感覺很冷和不舒適，隨著艙內(nèi)溫度的變化，熱感知等級(jí)逐步上升、熱舒適度等級(jí)逐步上升。

• HVAC吹面方案，駕駛員從較冷狀態(tài)下，在2min時(shí)達(dá)到輕微涼的感覺，熱舒適度達(dá)到中性狀態(tài)，但隨著時(shí)間推移，HVAC吹面方案只能改善駕駛員迎風(fēng)面部位采暖環(huán)境，但手臂和背部溫度仍處于偏低狀態(tài)，人體舒適度也隨之下降

• HVAC吹面吹腳方案，在1min內(nèi)可以更快速地改善人體舒適度等級(jí)，而后又呈緩慢上升，5min后呈緩慢下降的趨勢(shì)

• HVAC＋局部采暖方案，采暖速率和吹面吹腳方案相近，在3min達(dá)到中性狀態(tài)，并且隨著時(shí)間的推移能夠穩(wěn)定保持

綜上結(jié)果可以看出，采用HVAC＋局部采暖方案可以有效地減少電池功耗，增加行駛里程，且能快速建立較好的人體舒適度并長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。

案例二

分析不同的隔熱方案，在相同天氣環(huán)境下，座艙熱負(fù)荷的變化。夏季降溫工況，以乘客達(dá)到相同的熱感知狀態(tài)為準(zhǔn)，實(shí)時(shí)調(diào)整座艙內(nèi)制冷量，進(jìn)行不同方案能耗分析。座艙分別采用普通玻璃方案與反射玻璃方案，如下圖所示：

圖7座艙普通玻璃方案與反射玻璃方案示意圖

采用相同天氣文件對(duì)整車進(jìn)行曝曬，太陽輻射通量和座艙溫度分布如下所示：

圖8座艙太陽輻射通量分布

圖9座艙內(nèi)部溫度分布

在座艙太陽輻射通量結(jié)果上可以看出，由于反射玻璃具有更高的反射率和更小的透射率，因此采用反射玻璃方案的輻射通量明顯低于普通玻璃方案；受熱太陽輻射通量的影響，在座艙內(nèi)部溫度分布上，反射玻璃的座艙內(nèi)部溫度和乘員身體溫度也相對(duì)更低。

如上兩種隔熱方案，以開啟空調(diào)降溫后達(dá)到相同的熱感知狀態(tài)為目標(biāo)，分析兩種方案在降溫工況下達(dá)到相同的熱感知狀態(tài)的座艙溫度和空調(diào)能耗變化過程。

圖10空調(diào)出風(fēng)溫度瞬態(tài)變化

座艙溫度瞬態(tài)變化如上圖所示，使用反射玻璃方案的座艙在降溫過程中，空調(diào)不需要調(diào)節(jié)更低的溫度，就能夠達(dá)到和普通玻璃一樣的熱感知狀態(tài)，艙內(nèi)溫度穩(wěn)定后兩個(gè)方案差值為1.5℃。

圖11空調(diào)能耗瞬態(tài)變化

在空調(diào)能耗方面，在整個(gè)降溫瞬態(tài)過程中，反射玻璃方案節(jié)能達(dá)到21%。在最后穩(wěn)定狀態(tài)下，節(jié)能達(dá)到18%。

綜上結(jié)果可以看出，座艙采用反射玻璃方案，有助于減小車內(nèi)熱輻射載荷，降低車內(nèi)溫度，可以有效節(jié)省座艙空調(diào)制冷能耗，提高新能源汽車在夏季的續(xù)航里程。

注：以上案例為方案演示使用，結(jié)果僅供參考！