Ολοκληρωμένη διαχείριση θερμότητας σε οχήματα χαμηλών εκπομπών ρύπων

Abstract

This dissertation presents a comprehensive investigation into the thermal behaviour and management of key automotive and vessel subsystems using validated dynamic models. As automotive powertrains evolve toward greater efficiency and electrification, accurate and computationally efficient thermal models become critical for design, control, and system integration. Chapter 1 is , an introduction to the dissertation and thermal management , highlighting the necessity of thermal management system investigations even more as propulsion systems get a higher energy efficiency and are moving towards electrification. In chapter 2, a foundational 0-D thermal model of internal combustion engine (ICE) cooling is developed and experimentally validated against time-series temperature measurements. The model is then extended to an 1-D model of the entire cooling system. This model demonstrates that well-crafted 1-D representations can accurately capture transient cooling dynamics, providing a reliable building block for system-level thermal analysis. Chapter 3 extends the 1-D modelling methodology to the HVAC system, with emphasis on variable displacement compressor behavior. This chapter investigates dynamic refrigerant flow and heat transfer under varying operating conditions, offering insights into efficient cabin thermal control and its impact on overall energy consumption. In chapter 4, the focus shifts to electrified systems. Multi-scale thermal characterization of battery cells , modules ,and packs is performed, with experimental validation of key thermal properties. A suite of cooling techniques, including liquid cooling , phase change materials and immersion cooling is evaluated through the combination of 1-D and 3-D thermal models to quantify performance , safety margins and operating limits. Chapter 5 incorporates the developed models and simulates the subsystems in an integrated vehicle model highlighting the trade-off along with the potential intervention points and synergetic effects. Chapter 6 broadens the scope to heterogenous energy storage systems by incorporating supercapacitor modules alongside batteries. These energy storage systems are evaluated under typical sea vessel operating conditions. The thermal behaviour is modelled and analyzed, highlighting trade-offs in performance. Collectively this work demonstrates that validated physics based models provide a powerful , computationally efficient framework for analyzing and managing the thermal behaviour of diverse subsystems. The structured modelling and validation approach enables informed design decisions, contributes to improved energy efficiency and lays the groundwork for future integrated thermal management strategies.

Αυτή η διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη διερεύνηση της θερμικής συμπεριφοράς και διαχείρισης βασικών υποσυστημάτων αυτοκινήτων και πλοίων χρησιμοποιώντας επικυρωμένα δυναμικά μοντέλα. Καθώς τα συστήματα μετάδοσης κίνησης αυτοκινήτων εξελίσσονται προς μεγαλύτερη απόδοση και ηλεκτροκίνηση, τα ακριβή και υπολογιστικά αποδοτικά θερμικά μοντέλα γίνονται κρίσιμα για το σχεδιασμό, τον έλεγχο και την ενοποίηση του συστήματος. Το Κεφάλαιο 1 είναι , μια εισαγωγή στη διατριβή και τη θερμική διαχείριση, υπογραμμίζοντας την αναγκαιότητα της έρευνας των συστημάτων θερμικής διαχείρισης ακόμη περισσότερο καθώς τα συστήματα πρόωσης αποκτούν υψηλότερη ενεργειακή απόδοση και κινούνται προς την εξηλεκτρισμό. Στο κεφάλαιο 2, αναπτύσσεται ένα θεμελιώδες θερμικό μοντέλο 0-D ψύξης κινητήρα εσωτερικής καύσης (ICE) και επικυρώνεται πειραματικά έναντι μετρήσεων θερμοκρασίας χρονοσειρών. Στη συνέχεια, το μοντέλο επεκτείνεται σε ένα μοντέλο 1-D ολόκληρου του συστήματος ψύξης. Αυτό το μοντέλο δείχνει ότι οι επικυρωμένες αναπαραστάσεις 1-D μπορούν να αποτυπώσουν με ακρίβεια την παροδική δυναμική ψύξης, παρέχοντας ένα αξιόπιστο δομικό στοιχείο για θερμική ανάλυση σε επίπεδο συστήματος. Το Κεφάλαιο 3 επεκτείνει τη μεθοδολογία μοντελοποίησης 1-D στο σύστημα θέρμανσης - ψύξης - κλιματισμού (HVAC), με έμφαση στη συμπεριφορά του συμπιεστή μεταβλητής μετατόπισης. Αυτό το κεφάλαιο διερευνά τη δυναμική ροή ψυκτικού και τη μετάδοση θερμότητας υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, προσφέροντας πληροφορίες για τον αποτελεσματικό θερμικό έλεγχο της καμπίνας και τον αντίκτυπό του στη συνολική κατανάλωση ενέργειας. Στο κεφάλαιο 4, η εστίαση μετατοπίζεται στα ηλεκτροκίνητα συστήματα. Πραγματοποιείται θερμικός χαρακτηρισμός πολλαπλών κλιμάκων μπαταριών, μονάδων και πακέτων, με πειραματική επικύρωση βασικών θερμικών ιδιοτήτων. Μια σειρά τεχνικών ψύξης, συμπεριλαμβανομένης της υγρής ψύξης, των υλικών αλλαγής φάσης και της ψύξης με εμβάπτιση, αξιολογείται μέσω του συνδυασμού θερμικών μοντέλων 1-D και 3-D για την ποσοτικοποίηση της απόδοσης, των περιθωρίων ασφαλείας και των ορίων λειτουργίας. Το Κεφάλαιο 5 ενσωματώνει τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν και προσομοιώνει τα υποσυστήματα σε ένα ολοκληρωμένο μοντέλο οχήματος, επισημαίνοντας την αντιστάθμιση μαζί με τα πιθανά σημεία παρέμβασης και τα συνεργατικά ωφέλη. Το Κεφάλαιο 6 διευρύνει το πεδίο εφαρμογής σε ετερογενή συστήματα αποθήκευσης ενέργειας ενσωματώνοντας μονάδες υπερπυκνωτών παράλληλα με μπαταρίες. Αυτά τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας αξιολογούνται υπό τυπικές συνθήκες λειτουργίας θαλάσσιων σκαφών. Η θερμική συμπεριφορά μοντελοποιείται και αναλύεται, επισημαίνοντας συμβιβασμούς στην απόδοση. Συλλογικά αυτή η εργασία καταδεικνύει ότι τα επικυρωμένα μοντέλα που βασίζονται στη φυσική παρέχουν ένα ισχυρό, υπολογιστικά αποτελεσματικό πλαίσιο για την ανάλυση και τη διαχείριση της θερμικής συμπεριφοράς διαφορετικών υποσυστημάτων. Η προσέγγιση δομημένης μοντελοποίησης και επικύρωσης επιτρέπει τεκμηριωμένες αποφάσεις σχεδιασμού, συμβάλλει στη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και θέτει τις βάσεις για μελλοντικές ολοκληρωμένες στρατηγικές θερμικής διαχείρισης.