TAITherm座舱热管理与续航里程

hirain123

          新能源汽车续航里程受限于电池包容量，因此有限的电池能量如何实现较高效的利用，是减轻用户续航焦虑的关键。冬夏季座舱温控是能耗大户，因此新能源汽车在设计座舱热管理系统时，必须均衡考虑座舱舒适性与续航里程。

基于人体热舒适度的座舱热管理方案设计
          随着用户对座舱热舒适性方面的要求日益提高，单纯通过空调降温、采暖过程中温度变化对人体舒适度进行间接评价已经无法满足开发需求，因此需要基于准确的人体生理模型和更直观的热舒适度评价标准，指导座舱热管理系统开发。

• 热舒适度建模
  

          TAITherm综合考虑如性别、胖瘦和肤色等人体生理特性，人体新陈代谢、血液流动、出汗、呼吸、运动量等生理机能，以及较完善的环境条件，基于改进Fiala生理模型分析人体体温调节功能及整体热感觉。

图1 座舱内人体热舒适性影响因素

• 热舒适度评价标准
  

          TAITherm采用Berkeley模型对人体整体和局部的热感觉和热舒适度进行评价，该方法被广泛认为是更科学的人体热舒适度研究方法。Berkeley评价模型等级设定如下图所示，Sensation热感知表示人感受到热或冷的程度，Comfort热舒适度表示人感觉好或坏的程度。

图2 Berkeley舒适度模型评价指标

          专业热设计软件TAITherm，基于详细的生理模型提供人体热舒适度分析方案，输出PMV、PPD、DTS以及Berkeley等舒适度评价指标，为座舱热管理系统设计开发提供依据。

应用案例
          本节主要通过两个案例展示基于人体舒适度评价对冬季采暖方案和车身隔热方案设计进行优化。

案例一
          基于人体热舒适度对不同采暖方案效果和能耗进行评估，对混合采暖方案能量分配进行优化，在保证人体舒适度的前提下，降低座舱热管理系统的功耗，缓解里程缩短。

图3 汽车座舱模型

          分析对比三种冬季采暖方案，分别为HVAC吹面模式、HVAC吹面+吹脚模式、HVAC+局部采暖，局部采暖方案中定义了五种不同的加热表面，接近脚在底部的控制台、顶棚辐射板、座椅靠背和座椅底部及方向盘。

          该案例在Cotherm中耦合仿真流程如下图所示。Cotherm优化流程需要的变量输入包括HVAC采暖功率、顶棚辐射板功率、座椅背部加热功率、座椅底部加热功率、方向盘加热功率。

图4 Cotherm优化流程

          Cotherm中集成了多种全局优化算法和局部优化算法，本案例采用Direct全局优化算法。成本函数考虑功耗和达到热舒适时间，迭代次数300次。首先更新优化变量，运行TAITherm求解座舱热模型，获取当前输入变量方案的功耗和达到热舒适度时间，计算成本函数值，保存分析结果。通过优化算法最小化成本函数值，进行300次迭代优化，获取较优组合方案。经过Cotherm迭代优化，得到三种采暖方案功耗和人体热舒适度结果如下：

图5 座舱温度结果对比

1. 在功耗方面，HVAC吹面方案、HVAC吹面吹脚方案、HVAC＋局部采暖方案的总功耗分别为3376W、3334W和942W，其中HVAC＋局部采暖方案较低。三种采暖方案，驾驶员总体热感知和热舒适度详细变化过程如下图所示：

图6 热感知和舒适度等级瞬态变化

2. 从驾驶员热感知和热舒适度瞬态变化结果可以看出，进入车内瞬间人体会感觉很冷和不舒适，随着舱内温度的变化，热感知等级逐步上升、热舒适度等级逐步上升。

• HVAC吹面方案，驾驶员从较冷状态下，在2min时达到轻微凉的感觉，热舒适度达到中性状态，但随着时间推移，HVAC吹面方案只能改善驾驶员迎风面部位采暖环境，但手臂和背部温度仍处于偏低状态，人体舒适度也随之下降
  
• HVAC吹面吹脚方案，在1min内可以更快速地改善人体舒适度等级，而后又呈缓慢上升，5min后呈缓慢下降的趋势
  
• HVAC＋局部采暖方案，采暖速率和吹面吹脚方案相近，在3min达到中性状态，并且随着时间的推移能够稳定保持
  
  
  

          综上结果可以看出，采用HVAC＋局部采暖方案可以有效地减少电池功耗，增加行驶里程，且能快速建立较好的人体舒适度并长时间保持稳定。

案例二
          分析不同的隔热方案，在相同天气环境下，座舱热负荷的变化。夏季降温工况，以乘客达到相同的热感知状态为准，实时调整座舱内制冷量，进行不同方案能耗分析。座舱分别采用普通玻璃方案与反射玻璃方案，如下图所示：

图7 座舱普通玻璃方案与反射玻璃方案示意图

          采用相同天气文件对整车进行曝晒，太阳辐射通量和座舱温度分布如下所示：

图8 座舱太阳辐射通量分布

图9 座舱内部温度分布

          在座舱太阳辐射通量结果上可以看出，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辐射通量明显低于普通玻璃方案；受热太阳辐射通量的影响，在座舱内部温度分布上，反射玻璃的座舱内部温度和乘员身体温度也相对更低。

          如上两种隔热方案，以开启空调降温后达到相同的热感知状态为目标，分析两种方案在降温工况下达到相同的热感知状态的座舱温度和空调能耗变化过程。

图10 空调出风温度瞬态变化

          座舱温度瞬态变化如上图所示，使用反射玻璃方案的座舱在降温过程中，空调不需要调节更低的温度，就能够达到和普通玻璃一样的热感知状态，舱内温度稳定后两个方案差值为1.5℃。

图11 空调能耗瞬态变化

          在空调能耗方面，在整个降温瞬态过程中，反射玻璃方案节能达到21%。在最后稳定状态下，节能达到18%。

          综上结果可以看出，座舱采用反射玻璃方案，有助于减小车内热辐射载荷，降低车内温度，可以有效节省座舱空调制冷能耗，提高新能源汽车在夏季的续航里程。

          注：以上案例为方案演示使用，结果仅供参考！

          * 限于篇幅原因，本期内容先介绍到这了，如果想要更多地了解TAITherm人体舒适性模块，可以通过公众号“经纬恒润”与我们联系，期待大家的来信。

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