Riassunto analitico
Nel settore automobilistico l’elettrificazione ha introdotto nuove sfide nella progettazione di un’auto, una delle quali è controllare la riduzione di autonomia causata dalla gestione termica nei veicoli elettrici.
Raffreddamento e riscaldamento del pacco batterie e la climatizzazione dell’abitacolo devono essere gestiti efficientemente per ottenere una riduzione dello Stato di Carica delle batterie contenuto nelle stagioni invernali ed estive.
Una pompa di calore reversibile può fornite un quantitativo sufficiente di energia termica con un consumo di energia elettrica ridotto rispetto ad una semplice resistenza elettrica e molti impianti ibridi possono essere progettati. Di conseguenza i progettisti hanno bisogno di strumenti per definire in modo rapido le performance delle differenti soluzioni.
Questo lavoro di tesi è stato realizzato durante il tirocinio curriculare in Maserati S.P.A. con l’obiettivo di sviluppare un modello termico per la prossima generazione di Veicoli Elettrici a Batterie dell’Azienda.
Il modello termico della cabina viene discusso nel particolare, inizialmente è stato prodotto un modello Embedded CFD, che utilizza una geometria tridimensionale semplificata integrata nel modello termico a parametri concentrati dell’intero impianto di gestione termica. Il modello è stato poi personalizzato e tarato per ottenere risultati più precisi con un minor tempo di calcolo.
Nel calcolo sono state considerate sia la geometria che i materiali della cabina, modellati in ambiente Simcenter AMESim e STAR CCM+
É stato inoltre possibile ottenere un confronto con altre metodologie di calcolo, simulazioni simili sono state eseguite con il modello a parametri concentrati attualmente utilizzato dall’Azienda e con un modello 3D di dettaglio della geometria sviluppato in un precedente lavoro di Tesi.
I risultati mostrano che il modello attualmente utilizzato dall’Azienda è la metodologia con migliore corrispondenza empirica e con minor costo computazionale.
Oltre il principale scopo di questa tesi, è stato avviato il lavoro di integrazione dei modelli di cabina e di componenti dell’impianto HVAC nel modello termico completo della vettura. Il naturale proseguo del lavoro sarà completare il modello della vettura ed effettuare simulazioni per confrontare differenti soluzioni con pompa di calore.
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Abstract
The automotive electrification trend has introduced many new challenges in designing a car, one is reducing the drastic decrease of autonomy in fully electric vehicles due to thermal management.
Requirements as cooling and heating of batteries and cabin climatization must be satisfied in the most efficient way in order to have moderate State of Charge losses in cold or hot weather.
A reversible heat pump can provide enough thermal energy with a reduced electric energy consumption compared to a simple electric heater, and many hybrid layouts can be designed, consequently car designers need quick tools for assessing different layout performances.
This thesis work has been produced during the curricular internship at Maserati S.P.A. in order to develop a thermal model for the Company next-generation Battery Electric Vehicle.
The cabin thermal model will be specially discussed, initially an Embedded CFD model is developed which exploits a simplified 3D cabin geometry integrated with the lumped parameter thermal model of the complete Thermal System. The model has been then customized and calibrated to obtain a more accurate result and less computational time.
Both geometry and materials of the cabin have been accounted for, and the simulation ambient selected for this work are Simcenter AMESim and STAR CCM+.
A comparison between other computational methods is then carried out, similar simulation can be run on the Company current lumped parameter calibrated model and the detailed 3D Cabin model.
Results will show that the Company's current lumped parameter model represent the best trade-off in terms of empirical results match and computational time.
Aside from the main aim of the thesis, the integration of the cabin model and HVAC system component in the Car HVAC Thermal model has been started and the natural continuation of the work will be to complete the model and run simulations of different layouts including a Heat Pump.
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