TAITherm座艙熱管理與續(xù)航里程

新能源汽車續(xù)航里程受限于電池包容量，因此有限的電池能量如何實現(xiàn)較高效的利用，是減輕用戶續(xù)航焦慮的關鍵。冬夏季座艙溫控是能耗大戶，因此新能源汽車在設計座艙熱管理系統(tǒng)時，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計

隨著用戶對座艙熱舒適性方面的要求日益提高，單純通過空調降溫、采暖過程中溫度變化對人體舒適度進行間接評價已經(jīng)無法滿足開發(fā)需求，因此需要基于準確的人體生理模型和更直觀的熱舒適度評價標準，指導座艙熱管理系統(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、出汗、呼吸、運動量等生理機能，以及較完善的環(huán)境條件，基于改進Fiala生理模型分析人體體溫調節(jié)功能及整體熱感覺。

圖1 座艙內人體熱舒適性影響因素

熱舒適度評價標準

TAITherm采用Berkeley模型對人體整體和局部的熱感覺和熱舒適度進行評價，該方法被廣泛認為是更科學的人體熱舒適度研究方法。Berkeley評價模型等級設定如下圖所示，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舒適度模型評價指標

專業(yè)熱設計軟件TAITherm，基于詳細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等舒適度評價指標，為座艙熱管理系統(tǒng)設計開發(fā)提供依據(jù)。

應用案例

本節(jié)主要通過兩個案例展示基于人體舒適度評價對冬季采暖方案和車身隔熱方案設計進行優(yōu)化。

案例一

基于人體熱舒適度對不同采暖方案效果和能耗進行評估，對混合采暖方案能量分配進行優(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、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)化算法和局部優(yōu)化算法，本案例采用Direct全局優(yōu)化算法。成本函數(shù)考慮功耗和達到熱舒適時間，迭代次數(shù)300次。首先更新優(yōu)化變量，運行TAITherm求解座艙熱模型，獲取當前輸入變量方案的功耗和達到熱舒適度時間，計算成本函數(shù)值，保存分析結果。通過優(yōu)化算法最小化成本函數(shù)值，進行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果如下：

圖5座艙溫度結果對比

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變化過程如下圖所示：

圖6熱感知和舒適度等級瞬態(tài)變化

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

• HVAC吹面方案，駕駛員從較冷狀態(tài)下，在2min時達到輕微涼的感覺，熱舒適度達到中性狀態(tài)，但隨著時間推移，HVAC吹面方案只能改善駕駛員迎風面部位采暖環(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內可以更快速地改善人體舒適度等級，而后又呈緩慢上升，5min后呈緩慢下降的趨勢

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

綜上結果可以看出，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時間保持穩(wěn)定。

案例二

分析不同的隔熱方案，在相同天氣環(huán)境下，座艙熱負荷的變化。夏季降溫工況，以乘客達到相同的熱感知狀態(tài)為準，實時調整座艙內制冷量，進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整車進行曝曬，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座艙內部溫度分布

在座艙太陽輻射通量結果上可以看出，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，在座艙內部溫度分布上，反射玻璃的座艙內部溫度和乘員身體溫度也相對更低。

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

圖10空調出風溫度瞬態(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，空調不需要調節(jié)更低的溫度，就能夠達到和普通玻璃一樣的熱感知狀態(tài)，艙內溫度穩(wěn)定后兩個方案差值為1.5℃。

圖11空調能耗瞬態(tài)變化

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

綜上結果可以看出，座艙采用反射玻璃方案，有助于減小車內熱輻射載荷，降低車內溫度，可以有效節(jié)省座艙空調制冷能耗，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，結果僅供參考！