电动汽车行驶里程的限制与热管理问题密切相关

汽车转速表图

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。

在实践中,电动汽车的行驶里程取决于气候和环境条件。电池的大部分能量不得不被用来调节乘员舱内的温度。在不利的条件下,这将导致续航里程减少达40%。例如,在寒冷的冬天,不再有传统内燃机的散热可被用作加热乘员舱的“免费”能源。

乘员舱气候的热分析对于汽车空调系统的布置一直非常重要。电动汽车需要进行涵盖汽车整个热系统能量平衡的更广泛的分析。这必然包括电池本身,因为当电池在最佳工作温度范围内运行可以延长其使用寿命,并保持最大可能的电容量。此外,这项开发还必须包括所有降低投入在乘员舒适性方面的能量需求的措施,而不是单纯为了给汽车提供续航里程。

THESEUS‑FE提供的热管理分析有助于增加电动汽车的续航里程

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,较低的温度会对电池容量产生负面影响。仅出于这个原因,在夏季,必须对电池施加单独的冷却机构,而不依赖于乘员舱的空调冷却系统。在冬季,没有发动机的散热可用来加热电池,用于将电池内部温度调节到最佳范围的热量必须由电池本身提供。

通过智能气候化实现最大化汽车续航里程

THESEUS‑FE提供的仿真方法可以测试和评估下列所有可实现最大化汽车续航里程的潜在措施。与真实的物理试验相比,在汽车开发的早期阶段依靠仿真模拟可以显著降低测试某些变量的成本。最重要的是,这些虚拟试验甚至可以在没有试制车之前完成。在这个阶段获得的仿真结果可以帮助修正在试制车生产之前的错误决策,并节省大量的资金。

车内现代气候控制仪表图
电动车需要新颖、经济的气候化方案

智能化、增加续航里程的气候化方案措施包括:

  • 改善的乘员舱的隔热性能
  • 应用热容量低的材料,以更快、更少的能量投入达到理想的乘员舱温度
  • 分区空调,特别是当乘员舱内仅有驾驶员一人时
  • 增加空调系统的空气再循环
  • 使用辅助加热系统进行预调节
  • 电加热窗玻璃比通过暖风加热窗玻璃更有效
  • 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的空调系统
  • 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

举个例子,THESEUS‑FE考虑到车窗对不同波长辐射的传输和反射特性不同的特点。窗户和涂层的很多变量可以在软件中轻松模拟,以评估它们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的影响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,显示单个组件细分

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乘员舱气候控制系统。一个原本用于碰撞模拟的模型被用于开发乘员舱气候控制系统的基础。仿真模拟在虚拟环境仓中,在与车辆设计和续航里程有关的冬季和夏季两种工况下进行。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。

有乘客的乘员舱在各种环境条件下的示意图说明
环境热对汽车客舱的影响

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。

汽车乘员舱的CFD模拟结果图
客舱气候变化的计算流体动力学结果

使用THESEUS‑FE模拟,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,我们将使用合适的模型模拟红外发射器,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——以及相应的验证工作。

Related publications available as free download

Thermal simulation of a complete vehicle using manikin models [english, 3.3 MB]
S. Paulke, D. Köster, R. Hass, V. Bader, S. Menzel, A. Gubalke
P+Z Engineering, Volkswagen AG

17. SIMVEC 2014 | November 18-19, 2014 | Baden-Baden, Germany

Thermische Simulationen einer Volkswagen e-Golf-Fahrzeugkabine unter Einbezug von thermischen Menschmodellen [german, 3.1 MB]
S. Paulke, D. Köster, R. Hass, V. Bader, S. Menzel, A. Gubalke
P+Z Engineering, Volkswagen AG

17. SIMVEC 2014 | November 18-19, 2014 | Baden-Baden, Germany

Thermal Simulations of a Volkswagen e-Golf Cabin Incorporating Human Thermal Comfort Models [english, 3.3 MB]
S. Paulke, D. Köster, R. Hass, V. Bader, S. Menzel, A. Gubalke
P+Z Engineering, Volkswagen AG

17. SIMVEC 2014 | November 18-19, 2014 | Baden-Baden, Germany