电动车| 热管理模拟

电动汽车行驶里程的限制与热管理问题密切相关

电动汽车（BEV）的行驶里程与电池容量成正比。目前的电池技术平均每1千瓦时电池容量可行驶6.6千米。

电动汽车的行驶里程实际取决于气候和环境条件。电池的大部分能量不得不被消耗于调节乘员舱内的温度。在不适宜的环境条件下，这导致续航里程最高减少40%。比如说，在寒冷的冬天，电动车没有传统内燃机的散热，因此也就不能为乘员舱加热提供“免费”能源。

乘员舱气候热分析对于汽车空调系统布置至关重要。电动汽车需要更加广泛地考虑并分析汽车整个热系统的能量平衡。针对电池的分析必不可少，这是因为当电池在最佳工作温度范围内运行时，可以延长其使用寿命，并最大限度地保持高电容量。此外，电池热分析研究必须包含所有能降低用于乘员热舒适性的能耗，而不是仅考虑驱动汽车所需的能耗。

THESEUS‑FE提供的热管理分析有助于增加电动汽车的续航里程

电池工作的温度范围

电动汽车电池的最佳工作温度范围是20°C至30°C。较高的温度会降低电池的寿命，较低的温度则会对电池容量产生负面影响。因此，在夏季，必须对电池装配单独的冷却机构，而不能依赖于乘员舱的空调冷却系统。在冬季，没有可用于加热电池的发动机散热，调节电池内部温度到最佳范围的热量必须由电池本身提供。

通过智能环境实现最大化汽车续航里程

THESEUS‑FE提供的热管理分析有助于增加电动汽车的续航里程。THESEUS‑FE可以测试和评估下列所有可能帮助实现最高汽车续航里程的措施。与实地测试相比，在汽车开发的早期阶段，依靠仿真模拟可以显著降低不必要的成本。最重要的是，这些模拟试验可以在车量试制步骤之前就完成。由此得到的仿真结果可以帮助修正试制车生产环节开始前的错误决策，并节省大量资金。

智能化、增加续航里程的乘员舱环境方案涵盖：

提升乘员舱隔热性能
使用热容较低的材料，投入更少的能量，更快达到理想的乘员舱温度
设计分区空调，特别是当乘员舱内仅有驾驶员一人时
增加空调系统空气再循环
使用辅助加热系统进行预调节
电加热玻璃窗比暖风加热玻璃更有效
燃料加热系统（如乙醇增程器）
座椅加热以迅速提升局部舒适度
红外散热器和电加热表面以支持传统空调系统
使用现代玻璃材料，限制透过窗户的辐射将热能转换为可见光谱（例如，红外反射窗）
在停车时使用由太阳能电池板驱动的通风系统
红外线反射表面涂层
可选的遮蔽措施以减少太阳能进入到乘员舱内

THESEUS‑FE可以计算不同波长辐射传播与车窗反射性能，也支持在软件中轻松模拟多种窗户和涂层变量，以评估这些因素对车辆热预算的影响。因此，仿真结果能立即反馈空调系统功率效果以及乘员的热舒适性。

案例研究：采用人体热舒适模型的大众E-Golf乘员舱的热模拟

使用THESEUS-FE模拟真实大众e-Golf和虚拟模型图 — 大众汽车 E-Golf - 真实模型和仿真模型的横截面对比显示零部件细分

作为公共资助的BMBF项目的一部分，E-Komfort使用了一个非常精细的有限元模型，用于模拟大众E-Golf乘员舱环境控制系统。一个原本用于碰撞模拟的模型被采用，作为开发乘员舱环境控制系统的基础。仿真模拟在虚拟环境舱中进行，选用了与车辆设计和续航里程密切相关的冬季与夏季两种工况。该项工作还包括测试和标定特殊的灯具模型（用于模拟环境舱内的阳光），然后在仿真中使用这些模型。

这篇论文（可从主页下载）发表了一种能够对乘员舱平均和局部空气温度进行可靠预测的模拟技术。我们阐释了如何从一个非常精细的E-Golf仿真模型中导出和标定一个简化的乘员舱模型（称为快速或发电机模型）。这样做可以将计算时间从几天减少到几秒钟，并确保不会影响乘员舱空气平均温度仿真模拟的质量。

使用THESEUS‑FE软件模拟后，我们能够证明采用分区空调控制方案可以大大减少空调控制系统消耗的能量。通过使用红外发射器也可以节约能量，合适的模型用于模拟红外发射器，并评估其对局部热舒适值的影响。在冬季工况下，空调系统消耗的能量严重限制了电动汽车的行驶里程。因此，仅在必要时将乘员加热或冷却到舒适的温度比对整个乘员舱进行加热或冷却更有效率。在此背景下，我们的模拟还结合了热生理学模型，并使用等效温度的概念作为评估局部热舒适的基础。论文的最后一部分讨论了耦合乘员舱仿真的动机和策略——此处耦合THESEUS‑FE和Open FOAM，并进行了相关验证测试。

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