Development of Integrated Models for Thermal Management in Hybrid Vehicles

[ES] En los últimos años, la industria de la automoción ha hecho un gran esfuerzo para producir sistemas de propulsión más eficientes y menos contaminantes sin menguar su rendimiento. Las nuevas regulaciones impuestas por las autoridades han empujado a la industria hacia la electrificación de los sistemas de propulsión mientras que las tecnologías desarrolladas para el sistema de propulsión convencional, basado en motores de combustión interna alternativos (MCIA), ya no son suficientes. El modelado numérico ha demostrado ser una herramienta indispensable para el diseño, desarrollo y optimización de sistemas de gestión térmica en trenes motrices electrificados, ahorrando costes y reduciendo el tiempo de desarrollo. La gestión térmica en los MCIA siempre ha sido importante para mejorar el consumo, las emisiones y la seguridad. Sin embargo, es todavía más importante en los sistemas de propulsión híbridos, a causa de la complejidad del sistema y al funcionamiento intermitente del MCIA. Además, los trenes motrices electrificados tienen varias fuentes de calor (es decir, MCIA, batería, máquina eléctrica) con diferentes requisitos de funcionamiento térmico. El objetivo principal de este trabajo ha sido desarrollar modelos térmicos para estudiar la mejora de los sistemas de gestión térmica en sistemas de propulsión electrificados (es decir, vehículo híbrido), estudiando y cuantificando la influencia de diferentes estrategias en el rendimiento, la seguridad y la eficiencia de los vehículos. La metodología desarrollada en este trabajo consistió tanto en la realización de experimentos como en el desarrollo de modelos numéricos. De hecho, se llevó a cabo una extensa campaña experimental para validar los diferentes modelos del tren motriz electrificado. Los datos obtenidos de las campañas experimentales sirvieron para calibrar y validar los modelos así como para corroborar los resultados obtenidos por los estudios numéricos. En primer lugar, se estudiaron las diferentes estrategias de gestión térmica de manera independiente para cada componente del tren motriz. Para el MCIA se estudió el uso de nanofluidos, el aislamiento del colector y puertos de escape, así como el cambio de volumen de sus circuitos hidráulicos. De igual forma, se evaluó el impacto de diferentes estrategias para la mejora térmica de las baterías. Además, el modelo de máquina eléctrica se utilizó para desarrollar pruebas experimentales que emulaban el daño térmico producido en ciclos reales de conducción. En segundo lugar, los modelos de tren motriz se integraron utilizando un estándar de co-simulación para evaluar el impacto de un sistema de gestión térmica integrado. Finalmente, se implementó un nuevo control del sistema de gestión de energía para evaluar el impacto de considerar el estado térmico del MCIA al momento de decidir la distribución de potencia del vehículo híbrido. Los resultados han demostrado que el uso de nanofluidos tiene un impacto muy limitado tanto en el MCIA como en el comportamiento térmico de la batería. Además, también mostraron que al reducir el volumen de refrigerante en un 45 %, la reducción en el tiempo de calentamiento del MCIA y el consumo de combustible en comparación con el caso baso fue del 7 % y del 0.4 %, respectivamente. Además, para condiciones de frio (7ºC), el impacto fue todavía mayor, obteniendo una reducción del tiempo de calentamiento y del consumo de combustible del 13 % y del 0.5 % respectivamente. Por otro lado, los resultados concluyeron que durante el calentamiento del MCIA, el sistema integrado de gestión térmica mejoró el consumo de energía en un 1.74 % y un 3 % para condiciones de calor (20ºC) y frío (-20ºC), respectivamente. Esto se debe al hecho que el sistema de gestión térmica integrado permite evitar la caída de temperatura del MCIA cuando el sistema de propulsión está en manera eléctrica pura.[CA] En els últims anys, la indústria de l'automoció ha fet un gran esforç per a produir sistemes de propulsió més eficients i menys contaminants sense minvar el seu rendiment. Les noves regulacions imposades per les autoritats han espentat a la indústria cap a l'electrificació dels sistemes de propulsió mentre que les tecnologies desenvolupades per al sistema de propulsió convencional, basat en motors de combustió interna alternatius (MCIA), ja no són suficients. El modelatge numèric ha demostrat ser una eina indispensable per al disseny, desenvolupament i optimització de sistemes de gestió tèrmica en trens motrius electrificats, estalviant costos i reduint el temps de desenvolupament. La gestió tèrmica en els MCIA sempre ha sigut important per a millorar el consum, les emissions i la seguretat. No obstant això, és encara més important en els sistemes de propulsió híbrids, a causa de la complexitat del sistema i al funcionament intermitent del MCIA. A més, els trens motrius electrificats tenen diverses fonts de calor (és a dir, MCIA, bateria, màquina elèctrica) amb diferents requisits de funcionament tèrmic. L'objectiu principal d'aquest treball va ser desenvolupar models tèrmics per a estudiar la millora dels sistemes de gestió tèrmica en sistemes de propulsió electrificats (és a dir, vehicle híbrid), estudiant i quantificant la influència de diferents estratègies en el rendiment, la seguretat i l'eficiència dels vehicles. La metodologia desenvolupada en aquest treball va consistir tant en la realització d'experiments com en el desenvolupament de models numèrics. De fet, es va dur a terme una extensa campanya experimental per a validar els diferents models del tren motriu electrificat. Les dades obtingudes de les campanyes experimentals van servir per a calibrar i validar els models així com per a corroborar els resultats obtinguts pels estudis numèrics. En primer lloc, es van estudiar les diferents estratègies de gestió tèrmica de manera independent per a cada component del tren motriu. Per al MCIA es va estudiar l'us de nanofluids, l'aïllament del col·lector i ports d'eixida així com el canvi de volum dels seus circuits hidràulics. D'igual forma, es va avaluar l'impacte de diferents estratègies per a la millora tèrmica de les bateries. A més, el model de màquina elèctrica es va utilitzar per a desenvolupar proves experimentals que emulaven el mal tèrmic produït en cicles reals de conducció. En segon lloc, els models de tren motriu es van integrar utilitzant un estàndard de co-simulació per a avaluar l'impacte d'un sistema de gestió tèrmica integrat. Finalment, es va implementar un nou control del sistema de gestió d'energia per a avaluar l'impacte de considerar l'estat tèrmic del MCIA al moment de decidir la distribució de potència del vehicle híbrid. Els resultats han demostrat que l'us de nanofluids té un impacte molt limitat tant en el MCIA com en el comportament tèrmic de la bateria. A més, també van mostrar que en reduir el volum de refrigerant en un 45 %, la reducció en el temps de calfament del MCIA i el consum de combustible en comparació amb el cas base va ser del 7 % i del 0.4 %, respectivament. A més, per a condicions de fred (-7ºC), l'impacte va ser encara major, obtenint una reducció del temps de calfament i del consum de combustible del 13 % i del 0.5 % respectivament. D'altra banda, els resultats van concloure que durant el calfament del MCIA, el sistema integrat de gestió tèrmica va millorar el consum d'energia en un 1.74 % i un 3 % per a condicions de calor (20ºC) i fred (-20ºC), respectivament. Això es deu al fet que el sistema de gestió tèrmica integrat permet evitar la caiguda de temperatura del MCIA quan el sistema de propulsió està en manera elèctrica pura.[EN] In recent years, the automotive industry has made a great effort to produce more efficient and less polluting propulsion systems without diminishing their performance. The new regulations imposed by the authorities have pushed the industry towards the electrification of powertrains while, technologies developed for the conventional propulsion system based on alternative internal combustion engines (ICEs), are no longer sufficient. Numerical modeling has proven to be an indispensable tool for the design, development and optimization of thermal management systems in electrified powertrains, saving costs and reducing development time. Thermal management in ICEs has always been important for improving consumption, emissions and safety. However, it is even more important in hybrid powertrains, due to the complexity of the system and the intermittent operation of the ICE. In addition, electrified powertrains have various heat sources (i.e., ICE, battery, Electric machine) with different thermal operating requirements. The main objective of this work was to develop thermal models to study the improvement of thermal management systems in electrified powertrains (i.e., hybrid electric vehicle), shedding light and quantifying the influence of different strategies on performance, safety and efficiency of the vehicles. The methodology developed in this paper consisted both in carrying out experiments and in developing numerical models. In fact, an extensive experimental campaign was carried out to validate the various models of the electrified powertrain. The data obtained from the experimental campaigns served to calibrate and validate the models as well as to corroborate the results obtained by the numerical studies. Firstly, the different thermal management strategies were studied independently for each component of the powertrain. For the ICE, the use of nanofluids, insulation of exhaust manifold and ports as well as the volume change of its hydraulic circuits were studied. Similarly, the impact of different strategies for the thermal improvement of batteries was evaluated. Furthermore, the electric machine model was used for developing experimental tests which emulated the thermal damage produced in real driving cycles. Secondly, the powertrain models were integrated using a co-simulation standard to assess the impact of an integrated thermal management system. Finally, a new control energy management system was implemented to assess the impact of considering the ICE thermal state when deciding the power split of the hybrid vehicle. The results have shown that the use of nanofluids has a very limited impact on both the ICE and the battery's thermal behaviour. In addition, they also showed that by reducing the volume of coolant by 45 %, the reduction in ICE warm up time and fuel consumption compared to the base case were 7 % and 0.4 %, respectively. In addition, for cold conditions (-7ºC), the impact was even greater, obtaining a reduction in warm up time and fuel consumption of 13 % and 0.5 % respectively. On the other hand, the results concluded that during the warming of ICE, the integrated thermal management system improved energy consumption by 1.74 % and 3 % for warm (20ºC) and cold (-20ºC) conditions, respectively. This is because the integrated TMS makes it possible to prevent the ICE temperature drop when the powertrain is in pure electric mode. Finally, significant gains during Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycles (WLTC) and Real Driving Emissions (RDE) cycles were observed when the ICE thermal state was chosen when deciding the power distribution.The author would like to sincerely acknowledge the founding support pro- vided by Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital in the framework of the Ayuda Predoctoral GVA. (ACIF/2020/234). Additionally the author would also acknowledge the support provided by Renault S.A.S.Dreif Bennany, A. (2023). Development of Integrated Models for Thermal Management in Hybrid Vehicles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19406

Assessment of the improvement of internal combustion engines cooling system using nanofluids and nanoencapsulated phase change materials

This is the author¿s version of a work that was accepted for publication in International Journal of Engine Research. Changes resulting from the publishing process, such as peer review, editing, corrections, structural formatting, and other quality control mechanisms may not be reflected in this document. Changes may have been made to this work since it was submitted for publication. A definitive version was subsequently published as https://doi.org/10.1177/1468087420917494[EN] In recent years, due to the increasing need to reduce consumption of reciprocating internal combustion engines, new researches on different subsystems have raised. Among them, the use of nanofluids as a coolant medium seems to be an interesting alternative. In this work, the potential benefits of using nanofluids in the cooling system using an engine lumped model are studied. The methodology of the study starts with a whole description and validation of the model in both steady and transient conditions by means of a comparison with experimental results. Then, the potential benefits that could be obtained with the use of nanofluids are studied in a theoretical way. After that, the model is used to estimate the behavior of the system using different nanofluids in both stationary and transient conditions. The main results show that the advantages of using these new refrigerants are limited.The author(s) disclosed receipt of the following financial support for the research, authorship, and/or publication of this article: The equipment used in this work has been partially supported by FEDER project funds "Dotacion de infraestructuras cientifico tecnicas para el Centro Integral de Mejora Energetica y Medioambiental de Sistemas de Transporte (CiMeT)'' (grant number FEDER-ICTS-2012-06), framed in the operational program of unique scientific and technical infrastructure of the Spanish Government.Torregrosa, AJ.; Broatch, A.; Olmeda, P.; Dreif-Bennany, A. (2021). Assessment of the improvement of internal combustion engines cooling system using nanofluids and nanoencapsulated phase change materials. International Journal of Engine Research. 22(6):1939-1957. https://doi.org/10.1177/1468087420917494S1939195722

Estudio de sistemas de gestión térmica en motores de combustión interna alternativos mediante herramientas numéricas en condiciones estacionarias y transitorias.

[ES] En el presente proyecto, el objetivo principal es contribuir al estudio de nuevos sistemas de gestión térmica en motores de combustión. Las tareas se centraron en desarrollar, validar y usar modelos numéricos para evaluar los nuevos sistemas térmicos del motor en condiciones estacionarias y transitorias. Por lo tanto, se realizó un estudio novedoso del impacto en la eficiencia del motor cuando se usan nanofluidos como refrigerante. Posteriormente, también se realizó la cuantificación del impacto máximo en la eficiencia del motor y T4 aislando los puertos de escape del motor y el colector de un motor Diesel. Además, la evaluación del impacto en el rendimiento del motor al modificar el volumen de los circuitos hidráulicos también se estudió a fondo.[EN] In the present project, the main purpose is to contribute to the study of new engine thermal management systems. Tasks were focused on developing, validating and using numerical models in order to evaluate the new engine thermal systems in steady and transient conditions. Thus, a novel study of the impact on engine efficiency when using nanofluids as engine coolant was also carried out. Afterwards, the quantification of the maximum impact on engine efficiency and T4 by insulating the engine exhaust ports and manifold of a Diesel engine was also performed. Moreover, the evaluation of the impact on engine performance when modifying the volume of the engine hydraulic circuits was also thoroughly studied.Dreif Bennany, A. (2020). Study of reciprocating internal combustion engine thermal management systems by means of numerical tools in steady and transient conditions. Universitat Politècnia de València. http://hdl.handle.net/10251/157539TFG

Diseño de un parque eólico de 8 MW en el Puerto de Valencia

[ES] En el presente Trabajo Final de Grado se ha realizado el diseño de un parque eólico de 8 MW en el Puerto de Valencia para abastecer los consumos energéticos que se realizan en el puerto a partir de energía renovable, así como la venta de energía producida en caso de excedente. Para alcanzar dicha potencia se han implantado cuatro aerogeneradores de 2 MW de potencia nominal cada uno. Se ha empezado por el estudio de los antecedentes hasta llegar al panorama actual o estado del arte. Posteriormente se ha procedido a una de las partes más importantes del proyecto, el estudio de los vientos. Se han tomado datos registrados durante cuatro años y, además, se han comparado con la base de datos de la IDAE. Seguidamente se ha realizado la evaluación del potencial energético de acuerdo a las limitaciones y se ha seleccionado el aerogenerador más rentable energéticamente más adecuado para las condiciones de la instalación objeto de diseño. Después se procedió al diseño del parque en la localización atendiendo a la reducción de las pérdidas debido a los obstáculos y el efecto de la estela de los aerogeneradores. Finalmente se ha realizado el diseño de la red eléctrica y se ha realizado un estudio económico y ambiental de la instalación.[CA] En el present Treball Final de Grau s'ha realitzat el disseny d'un parc eòlic de 8 MW en el Port de València per a proveir els consums energètics que es realitzen en el port a partir d'energia renovable, així com la venda d'energia produïda en cas d'excedent. Per a aconseguir aquesta potència s'han implantat quatre aerogeneradors de 2 MW de potència nominal cadascun. S'ha començat per l'estudi dels antecedents fins a arribar al panorama actual o estat de l'art. Posteriorment s'ha procedit a una de les parts més importants del projecte, l'estudi dels vents. S'han pres dades registrades durant quatre anys i, a més, s'han comparat amb la base de dades de la IDAE. Seguidament s'ha realitzat l'avaluació del potencial energètic d'acord a les limitacions i s'ha seleccionat l'aerogenerador més rendible energèticament i més adequat per a les condicions de la instal·lació objecte de disseny. Després es va procedir al disseny del parc eòlic en la localització atenent a la reducció de les pèrdues a causa dels obstacles i l'efecte del deixant dels aerogeneradors. Finalment s'ha realitzat el disseny de la xarxa elèctrica i s'ha realitzat un estudi econòmic i ambiental de la instal·lació.[EN] In this Final Bachelor Thesis, we have designed an 8 MW wind farm at the port of Valencia in order to supply this with renewable energy for consumption. And sale the energy produced in the event of surplus. To achieve that power, four wind turbines have been introduced, with 2 MW of power rating each one. A research from the study of the background has been conducted until the current panorama or state of art. Subsequently one of the most important parts of the project has been studied, that of the winds. The data used have been recorded during four years and, in addition, they have been compared with the database of the IDAE. Then, a study of the energy potential has been carried out in accordance with the limitations and the most energetically profitable wind turbine has been selected which is also the most suitable one for the conditions of the installation design object. Then the design of the park in the location has been started in order to reduce of losses due to the obstacles and the effect of the steel of the wind turbines. Finally, an electrical network has been designed, and an economical study along with the environmental research of the installation.Dreif Bennany, A. (2016). Diseño de un parque eólico de 8 MW en el Puerto de Valencia. http://hdl.handle.net/10251/69237.TFG

Desarrollo de una metodología para la caracterización del flujo a lo largo de líneas de escape de motores para automoción

[ES] El presente Trabajo Final de Máster consistió en desarrollo de una metodología para la caracterización del flujo a lo largo de líneas de escape de motores de automoción en el Departamento de Motores y de Máquinas Térmicas de la UPV. El proyecto tuvo desde un primer momento naturaleza experimental, realizándose en su inmensa mayoría en las correspondientes salas de ensayo. En el presente documento se recoge, el conocimiento general de las líneas a estudiar, las instalaciones utilizadas, los valores medidos y su tratamiento, y finalmente su resumen y análisis. El alcance del proyecto abarcó, en primer lugar, la recepción de las líneas de escape, el análisis de su estructura y características más importantes. Con la información sobre los dispositivos objetos de estudio se planeó la metodología para su ensayo en las instalaciones disponibles y las necesidades adicionales de esta. Posteriormente se procedió a la preparación de las salas de ensayo y todos los componentes de la instalación. Se realizó la instrumentación de las líneas para la medición de la temperatura y presión en distintos puntos de estas. Los experimentos se realizador a grandes rangos de caudales y temperaturas para poder conseguir predecir el comportamiento del dispositivo durante su funcionamiento real. El objetivo final del proyecto consiste en cuantificar la contrapresión en las líneas para distintas condiciones de funcionamiento, las cuales se simularon en el laboratorio.[CAT] El present Treball Final de Màster va consistir en el desenvolupament d'una metodologia per a la caracterització del flux al llarg de línies de fuga de motors d'automoció en el Departament de Motors i de Màquines Tèrmiques de la UPV. El projecte va tindre des d'un primer moment naturalesa experimental, realitzant-se en la seua immensa majoria en les corresponents sales d'assaig. En el present document s'arreplega, el coneixement general de les línies a estudiar, les instal·lacions utilitzades, els valors mesurats i elseu tractament, i finalment el seu resum i anàlisi L'abast del projecte va comprendre, en primer lloc, la recepció de les línies de fuga, l'anàlisi de la seua estructura i característiques més importants. Amb la informació sobre els dispositius objectes d'estudi es planatge la metodologia per al seu assaig en les instal·lacions disponibles i les necessitats addicionals d'esta. Posteriorment es va procedir a la preparació de les sales d'assaig i tots els components de la instal·lació. Es va realitzar la instrumentació de les línies per al mesurament de la temperatura i pressió en distints punts d'estes. Els experiments es realitzador a grans rangs de cabals i temperatures per a poder aconseguir predir el comportament del dispositiu durant el seu funcionament real. L'objectiu final del projecte consisteix a quantificar la contrapressió en les línies per a distintes condicions de funcionament, les quals es van simular en el laboratori.[EN] The present Master Final Project consisted in the development of a methodology for the characterization of the flow along exhaust lines of automotive engines in the Department of Engines and Thermal Machines of the UPV. The project had experimental nature from the start, and it was carried out in the vast majority in the corresponding rehearsal rooms. The present document includes the general knowledge of the lines to be studied, the facilities used, the measured values and their treatment, and finally their summary and analysis. First, the scope of the project included the reception of the escape lines, the analysis of their structure and most important characteristics. With the information obtained, the methodology for its testing was planned taking into account the available facilities and the equipment that would be required in order to succeed in the experiments. Subsequently, the preparation of the test rooms and all the components of the installation proceeded. The instrumentation of the lines for the measurement of the temperature and pressure in different points of these was carried out. The experiments are performed at large ranges of flow rates and temperatures to be able to predict the behaviour of the device during its actual operation. The final objective of the project is to quantify the back pressure in the lines for different operating conditions, which were simulated in the laboratory.Dreif Bennany, A. (2018). Desarrollo de una metodología para la caracterización del flujo a lo largo de líneas de escape de motores para automoción. http://hdl.handle.net/10251/108735TFG

Improvement in engine thermal management by changing coolant and oil mass

[EN] Several investigations related to increasing engine thermal efficiency focusing on the engine hydraulic circuits (oil and coolant) were performed over the last years. According to literature, more than 20% of the fuel energy is rejected to the coolant in steady state conditions. Thus, better use of that energy, especially during warm up of the engine, would lead to an improvement of engine performance and fuel consumption. In the present work, a complete engine and its subsystems were modeled and validated in a 0D/1D in-house software. After, several case studies based on modifying the volume of the engine hydraulic circuits were simulated and analyzed. The simulations were performed for steady state and transient conditions. On one hand, the impact of the present thermal management strategy was practically negligible in steady state conditions. On the other hand, for transient conditions and ambient boundary conditions, the results showed that by reducing the coolant volume by 45% the reduction in warm up time and fuel consumption compared with the base case were 7% and 0.4% respectively. Additionally, for cold conditions, the impact was even higher, obtaining a reduction of warm up time and fuel consumption of 13% and 0.5% respectively.Acknowledgment Authors would like to sincerely acknowledge the founding sup-port provided by Conselleria de Innovacion, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital in the framework of the Ayuda Predoctoral GVA. (ACIF/2020/234) .Broatch, A.; Olmeda, P.; Martín, J.; Dreif-Bennany, A. (2022). Improvement in engine thermal management by changing coolant and oil mass. Applied Thermal Engineering. 212. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.11851321