The main goal of this thesis is to develop practical digital controller architectures for multi-phase dc-dc converters utilized in low power (up to few hundred watts) and cost-sensitive applications. The proposed controllers are suitable for on-chip integration while being capable of providing advanced features, such as dynamic efficiency optimization, inductor current estimation, converter component identification, as well as combined dynamic current sharing and fast transient response. The first part of this thesis addresses challenges related to the practical implementation of digital controllers for low-power multi-phase dc-dc converters. As a possible solution, a multi-use high-frequency digital PWM controller IC that can regulate up to four switching converters (either interleaved or standalone) is presented. Due to its configurability, low current consumption (90.25 μA/MHz per phase), fault-tolerant work, and ability to operate at high switching frequencies (programmable, up to 10 MHz), the IC is suitable to control various dc-dc converters. The applications range from dc-dc converters used in miniature battery-powered electronic devices consuming a fraction of watt to multi-phase dedicated supplies for communication systems, consuming hundreds of watts. A controller for multi-phase converters with unequal current sharing is introduced and an efficiency optimization method based on logarithmic current sharing is proposed in the second part. By forcing converters to operate at their peak efficiencies and dynamically adjusting the number of active converter phases based on the output load current, a significant improvement in efficiency over the full range of operation is obtained (up to 25%). The stability and inductor current transition problems related to this mode of operation are also resolved. At last, two reconfigurable digital controller architectures with multi-parameter estimation are introduced. Both controllers eliminate the need for external analog current/temperature sensing circuits by accurately estimating phase inductor currents and identifying critical phase parameters such as equivalent resistances, inductances and output capacitance. A sensorless non-linear, average current-mode controller is introduced to provide fast transient response (under 5 μs), small voltage deviation and dynamic current sharing with multi-phase converters. To equalize the thermal stress of phase components, a conduction loss-based current sharing scheme is proposed and implemented.

La gestion thermique des batteries Li-ion pour le véhicule électrique est essentielle, pour assurer une autonomie et une durée de vie optimales de ces batteries. Habituellement, des circuits d'air ou de liquide de refroidissement sont utilisés comme systèmes de gestion thermique. Cependant, ces systèmes sont coûteux en termes d'investissement et d'exploitation et doivent être dimensionnés sur la puissance maximale à extraire. L'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP) pour l’absorption sous forme de chaleur latente de la chaleur à dissiper peut représenter une alternative moins coûteuse et plus facile à utiliser. En effet, les MCP peuvent stocker passivement la chaleur excédentaire produite et être utilisés en tant que systèmes passifs. Cependant, les MCP présentent de nombreux inconvénients comme la difficulté de décharger l’énergie thermique stockée, ce qui limite l’aptitude du système au cyclage, ou encore leur conductivité thermique peu élevée qui limite les capacités d’échange. Pour résoudre le problème de la régénération des MCP, un système actif supplémentaire peut être ajouté, dimensionné sur une puissance modérée; l'ensemble devient alors un système semi-passif. Dans cette étude, un système de gestion thermique composé d'un MCP et d’air en convection forcée est évalué. Ce système permet de coupler les avantages de ces deux techniques. Une modélisation du système est développée pour une cellule de batterie. Une comparaison avec de l’air uniquement, en convection forcée, montre l'utilité du MCP. Pour augmenter la capacité d’échange du MCP, un matériau à haute conductivité thermique peut être ajouté au MCP, ce qui permet d’obtenir un composite ayant une conductivité thermique plus élevée. Des composites basés sur les MCP étudiés et des nanostructures de carbone sont élaborés, leur conductivité thermique est mesurée. Ensuite, un système expérimental simulant la dissipation d’une cellule de batterie est construit et utilisé pour évaluer le MCP seul, le MCP inclus dans une mousse métallique et le meilleur composite obtenu. Enfin, pour se rapprocher des conditions réelles, un modèle représentant un stack entier de batterie est développé, des simulations sont produites et les résultats obtenus sont commentés. / Li-ion battery thermal management is essential for electric vehicles (EVs), to ensure an optimal autonomy and lifespan of those batteries. Usually, air or coolant circuits are employed as thermal management systems. However, those systems are expensive in terms of investment and operating costs and must be dimensioned on the maximal power to be extracted. The use of phase change materials (PCMs) as latent heat storage medium allowing the absorption of the heat to be dissipated as latent heat may represent an alternative cheaper and easier to operate. In fact, PCMs can passively store the excess heat produced by a device and be used as passive systems. However, PCMs have several drawbacks like the difficulty to discharge the stored thermal load which limits the system’s cyclability or their low thermal conductivity which limits their heat transfer capacity. To solve the problem of the PCM regeneration, an additional active system can be added, dimensioned on a moderate power; the whole becomes a semi-passive system. In this study, a thermal management system composed of a PCM and forced air convection is evaluated. This system permits to combine the respective advantages of the two techniques. A model of the system is developed for one battery cell. A comparison with forced air convection only points out the usefulness of the PCM. To overcome the PCM low thermal conductivity, a highly conductive material can be added to the PCM permitting to obtain a composite with a higher thermal conductivity. Composites based on the PCMs studied and carbon nanostructures are elaborated, and their thermal conductivity is measured. Then, an experimental system permitting to simulate the dissipation of a battery cell is build and used to evaluate the PCM alone, the PCM embedded in metal foam and the better obtained composite. Finally, to be closer to the real conditions, a model representing an entire battery stack is developed, simulations are produced and the obtained results are discussed.

<div> <div> <div> <p>Commercial vehicles in the United States account for a significant fraction of greenhouse gas emissions and NOx emissions. The objectives of this work are reduction in commercial vehicle NOx emissions through enhanced aftertreatment thermal management via diesel engine variable valve actuation and the reduction of commercial vehicle fuel consumption/GHG emissions by enabling more effective class 8 truck platooning. </p> <p><br></p><p>First, a novel diesel engine aftertreatment thermal management strategy is proposed which utilizes a 2-stroke breathing variable value actuation strategy to increase the mass flow rate of exhaust gas. Experiments showed that when allowed to operate with modestly higher engine-out emissions, temperatures comparable to baseline could be achieved with a 1.75x exhaust mass flow rate, which could be beneficial for heating the SCR catalyst in a cold-start scenario. </p> <p><br></p><p>Second, a methodology is presented for characterizing aerodynamic drag coefficients of platooning trucks using experimental track-test data, which allowed for the development of high-fidelity platoon simulations and thereby enabled rapid development of advanced platoon controllers. Single truck and platoon drag coefficients were calculated for late model year Peterbilt 579’s based on experimental data collected during J1321 fuel economy tests for a two-truck platoon at 65 mph with a 55’ truck gap. Results show drag coefficients of 0.53, 0.50, and 0.45 for a single truck, a platoon front truck, and a platoon rear truck, respectively. </p> <p><br></p><p>Finally, a PID-based platoon controller is presented for maximizing fuel savings and gap control on hilly terrain using a dynamically-variable platoon gap. The controller was vetted in simulation and demonstrated on a vehicle in closed-course functionality testing. Simulations show that the controller is capable of 6-9% rear truck fuel savings on a heavily-graded route compared to a production-intent platoon controller, while increasing control over the truck gap to discourage other vehicles from cutting in. </p></div></div></div>

[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/10251/194060

No description available.

[ES] En un presente marcado por la continua lucha contra la contaminación y el cambio climático, la investigación en mejoras tecnológicas que permitan una transición aceptable para la sociedad hacia un futuro más ecológico ocupa un papel fundamental. En concreto, la aviación es un foco constante de innovación, ya que es considerada una función indispensable en una sociedad tan globalizada como la actual, pero con unos niveles de contaminación preocupantes. En este aspecto, el desarrollo de motores con altas eficiencias es un paso clave para la transición medioambiental. Sin embargo, estas alternativas presentan un reto tecnológico en cuanto a su gestión térmica basado, principalmente, en la necesidad de aumentar la refrigeración. En este contexto e impulsada por el proyecto "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" de Clean Sky 2, esta tesis doctoral se centra en el estudio experimental de geometrías de intercambiadores de calor de superficie para la refrigeración del aceite motor mediante el uso del aire del flujo secundario del turbofan. Actualmente, existen una serie de limitaciones en cuanto a las capacidades para llevar a cabo un análisis y diseño detallado de este tipo de intercambiadores de calor debido a la falta de instalaciones que permitan un correcta, completa y robusta caracterización experimental. Las principales fuentes de datos se basan en cálculos numéricos validados a partir de extrapolaciones en condiciones de cuestionable aplicabilidad. A lo largo de la tesis se presentan los resultados obtenidos tras una detallada caracterización de cuatro diferentes geometrías de intercambiadores de calor empleando tanto técnicas intrusivas como ópticas. Se utiliza un banco de flujo capaz de generar una corriente de aire típica alrededor de los intercambiadores, mientras que un sistema de acondicionamiento de aceite controla el punto de operación por el lado caliente. Para recrear de manera más realista las condiciones de funcionamiento, se presenta una metodología para generar de manera automática pantallas de distorsión que pueden reproducir una distribución bidimensional de velocidades objetivo mediante la manufactura aditiva de paneles de porosidad variable. Este modelo, analizado mediante CFD y validado experimentalmente, se utiliza para reproducir el perfil de velocidades típico presente en torno al intercambiador en una circunstancia real de operación. Tras definir métricas relevantes que permitan analizar el comportamiento de las distintas geometrías, se llega a la conclusión de que los problemas aerodinámico y térmico están altamente acoplados en estos dispositivos, demostrando la necesidad de un cuidadoso diseño para mejorar las actuaciones del intercambiador. Los resultados muestran que puede llegar a obtenerse una mejora de más de un 12% en la caída de presión y casi un 20% en el intercambio de calor. Además, se ha confirmado el impacto del uso de la pantalla de distorsión, con variaciones del orden de 10% en ambas variables. Los resultados también muestran que es posible realizar una caracterización preliminar de manera fiable con un modelo impreso en 3D, en cuanto campos de velocidades, pérdidas de presión y frecuencias propias corregidas. Con el análisis llevado a cabo en esta tesis, se puede concluir que es fundamental tener una instalación experimental que reproduzca las condiciones de funcionamiento reales de un motor para realizar estudios relevantes de intercambiadores de calor. Además, es necesario el uso de métricas adecuadas junto con el desarrollo de una metodología exhaustiva, fiable y robusta. Los resultados y metodología presentados en en esta investigación pueden llegar a tener un impacto importante tanto a nivel académico como industrial, ya que abren la puerta a desarrollar sistemas de gestión térmica más eficiente en unas etapas de diseño preliminares que son más asequibles económicamente, consumen menos tiempo y tienen mayor flexibilidad para introducir modificaciones. / [CAT] En un present marcat per la lluita contínua contra la contaminació i el canvi climàtic, la recerca en millores tecnològiques que permetin una transició acceptable per a la societat cap a un futur més ecològic ocupa un paper fonamental. En concret, l'aviació és un focus constant d'innovació, ja que és considerada una funció indispensable en una societat tan globalitzada com l'actual però amb uns nivells de contaminació preocupants. En aquest aspecte, el desenvolupament de motors amb altes eficiències és un pas clau per a la transició mediambiental. Tot i això, aquestes alternatives presenten un repte tecnològic quant a la seva gestió tèrmica basat, principalment, en la necessitat d'augmentar la refrigeració. En aquest context i impulsada pel projecte "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" de Clean Sky 2, aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi experimental de geometries d'intercanviadors de calor de superfície per a la refrigeració de l'oli motor mitjançant l'ús de l'aire del flux secundari del turbofan. Actualment, hi ha una sèrie de limitacions quant a les capacitats per dur a terme una anàlisi i disseny detallat d'aquest tipus d'intercanviadors de calor a causa de la manca d'instal·lacions que permetin una caracterització experimental correcta, completa i robusta. Les fonts de dades principals es basen en càlculs numèrics validats a partir d'extrapolacions en condicions de qüestionable aplicabilitat. Al llarg de la tesi es presenten els resultats obtinguts després d'una detallada caracterització de quatre geometries diferents d'intercanviadors de calor emprant tant tècniques intrusives com òptiques. Sutilitza un banc de flux capaç de generar un corrent daire típic al voltant dels intercanviadors, mentre que un sistema de condicionament doli controla el punt doperació pel costat calent. Per recrear de manera més realista les condicions de funcionament, es presenta una metodologia per generar de manera automàtica pantalles de distorsió que poden reproduir una distribució bidimensional de velocitats objectiu mitjançant la manufactura additiva de panells de porositat variable. Aquest model, analitzat mitjançant CFD i validat experimentalment, sutilitza per reproduir el perfil de velocitats típic present al voltant de lintercanviador en una circumstància real doperació. Després de definir mètriques rellevants que permetin analitzar el comportament de les diferents geometries, s'arriba a la conclusió que els problemes aerodinàmic i tèrmic estan altament acoblats en aquests dispositius, demostrant la necessitat d'un disseny acurat per millorar les actuacions de l'intercanviador. Els resultats mostren que es pot arribar a obtenir una millora de més d'un 12% a la caiguda de pressió i gairebé un 20% a l'intercanvi de calor. A més, s'ha confirmat l'impacte de l'ús de la pantalla de distorsió, amb variacions de l'ordre del 10% a les dues variables. Els resultats també mostren que és possible fer una caracterització preliminar de manera fiable amb un model imprès en 3D, en tant que camps de velocitats, pèrdues de pressió i freqüències pròpies corregides. Amb l'anàlisi duta a terme en aquesta tesi, es pot concloure que és fonamental tenir una instal·lació experimental que reprodueixi les condicions de funcionament reals d'un motor per fer estudis rellevants d'intercanviadors de calor. A més, cal fer servir mètriques adequades juntament amb el desenvolupament d'una metodologia exhaustiva, fiable i robusta. Els resultats i metodologia presentats en aquesta investigació poden arribar a tenir un impacte important tant a nivell acadèmic com industrial, ja que obren la porta a desenvolupar sistemes de gestió tèrmica més eficient en unes etapes de disseny preliminars que són més assequibles econòmicament, consumeixen menys temps i tenen més flexibilitat per introduir modificacions. / [EN] In a present marked by the continuous fight against pollution and climate change, research into technological improvements that allow an acceptable transition for society towards a greener future occupies a fundamental role. Specifically, aviation is a constant focus of innovation, since it is considered an essential function in a society as globalized as today's, but with worrying levels of pollution. In this regard, the development of motors with high efficiencies is a key step for the environmental transition. However, these alternatives present a technological challenge in terms of their thermal management, based mainly on the need to increase cooling. In this context and promoted by the Clean Sky 2 "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" project, this doctoral thesis focuses on the experimental study of surface heat exchanger geometries for engine oil cooling using the use of secondary flow air from the turbofan. Currently, there are a number of limitations regarding the capacity to carry out a detailed analysis and design of this type of heat exchanger due to the lack of facilities that allow a correct, complete and robust experimental characterization. The main data sources are based on numerical calculations validated from extrapolations under conditions of questionable applicability. The thesis presents results after a detailed characterization of four different geometries of heat exchangers using both intrusive and optical techniques. A flow bench capable of generating a typical air current around the exchangers is used, while an oil conditioning system controls the point of operation on the hot side. To more realistically recreate operating conditions, a methodology is presented to automatically generate distortion screens that can reproduce a two-dimensional distribution of target velocities through additive manufacturing of variable porosity panels. This model, analyzed by means of CFD and validated experimentally, is used to reproduce the typical speed profile present around the exchanger in a real operating circumstance. After defining relevant metrics that allow analyzing the behaviour of the different geometries, it is concluded that aerodynamic and thermal problems are highly coupled in these devices, demonstrating the need for careful design to improve the exchanger's performance. The results show that an improvement of more than 12% in pressure drop and almost 20% in heat exchange can be obtained. In addition, the impact of using the distortion screen has been confirmed, with variations of the order of 10% in both variables. The results also show that it is possible to carry out a preliminary characterization in a reliable way with a 3D printed model, in terms of velocity fields, pressure losses and corrected eigenfrequencies. With the analysis carried out in this thesis, it can be concluded that it is essential to have an experimental installation that reproduces the real operating conditions of an engine to carry out relevant studies of heat exchangers. In addition, the use of appropriate metrics is necessary together with the development of a comprehensive, reliable and robust methodology. The results and methodology presented in this research can have a significant impact both at an academic and industrial level, since they open the door to developing more efficient thermal management systems in preliminary design stages that are more affordable, consume less time and have more flexibility to make changes. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through the Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Univer- sitat Politècnica de València under grant PAID-01-20 n◦ 21589. This project has received funding from the Clean Sky 2 Joint Undertak- ing under the European Unions Horizon 2020 research and innovation pro- gramme under grant agreement No 831977 Aerodynamic upgrade of Sur- face Air-Cooled Oil Coolers (SACOC) / Felgueroso Rodríguez, A. (2023). Aerothermal Characterisation of Surface Heat Exchangers for Turbofans [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195852

<p>This study comprises experimental investigations and theoretical/empirical analyses of three forced-convective (pumped) boiling schemes: (i) confined round single jet and jet array impingement boiling, and flow boiling through conventional-sized (ii) concentric circular annuli and (iii) rectangular channels. These schemes could be utilized in the thermal management of various applications including high-heat-flux electronic devices, power devices, electric vehicle charging cables, avionics, future space vehicles, etc.</p>

The recent climate actions to reduce greenhouse gas (GHG) emissions have set the stage for decarbonizing the transportation sector through electrification, which has led to a surge in the deployment of battery electric vehicles (BEV). Trucks are no exception, which has led automakers to shift their focus toward producing Battery Electric Trucks (BET). While tail-pipe emissions are reduced drastically, certain aspects of BET prevent its widespread deployment, prominent of which is the range anxiety. The range of a BET is heavily impacted in cold weather as energy from traction batteries is also used to warm the battery pack and cabin, where 70% of cabin airflow at minimum is continually expelled through exhaust vents for proper ventilation. In this study, three heat recovery techniques were investigated with the objective of harnessing the waste heat from evacuating cabin air to reduce the heating energy consumption in a BET. One proposed technique employs the use of an air-to-air heat recovery system (AAHRS). Baseline experiments were conducted on a SCANIA test truck for benchmarking and to gather data on the performance of the installed HVAC system, which aided the prototyping stage of basic engineering design to ensure it is operable and safe. The prototype was modelled in CATIA, then fabricated and fitted to the test-truck. Validation experiments were done to evaluate the energy savings from the prototype in a climate chamber at various ambient temperature and fan speed settings. The study found a 20-53% reduction in the heat dissipated by the coolant with the implementation of AAHRS, which is beneficial in reducing the energy that need to be replenished by electric batteries for a BET. In contrast, the electrical power consumption increased 1.7-3.3 times higher than the baseline due to the additional power-consuming components, such as the exhaust blower and heat wheel motor. Moreover, the preheating effect from the heat wheel operation enabled the increase of HVAC air intake temperature by 7-28°C from ambient levels. Overall, the energy savings from integrating the AAHRS prototype was about 19-47% considering the coolant heat was produced from an electric heater as was simulated in the tests, whereas the range was estimated to reduce by17-39% if an automotive heat pump would instead deliver the heat into the cab heater core. Two other presented techniques operate on air-to-liquid heat recovery system (ALHRS), whereby each is envisioned to be coupled separately to a heat pump assisted integrated thermal management system (ITMS). One scheme recovers heat from the evacuating cabin air to raise the chiller coolant inlet temperature, whereas the other scheme proposes to adopt a multi-evaporation process in the concept liquid-cooled heat pump, wherein the evacuating cabin air serves as the direct heat source for the higher temperature-chiller. The two schemes were initially evaluated via vapor compression system performance analysis to have the potential to increase the condensation heat and condenser coolant outlet temperature with simultaneous increase in the coefficient of performance, which is beneficial in terms of available heat that can be dissipated into the downstream battery cold plates and cab heater core. As initial step towards assessment of the energy-saving potential of proposed ALHRS solutions, a simulation model of an adopted baseline ITMS concept was developed in this study using Engineering Equation Solver (EES) software, which then was validated against internal bench test results for a mock-up ITMS model. Results of initial validation test indicated an absolute error between the simulation outputs and bench test results of 8-14% for condensation heat, while it was below 7% for all the other relevant performance parameters. / De senaste klimatåtgärderna för att minska utsläppen av växthusgaser (GHG) har satt scenen för att minska koldioxidutsläppen inom transportsektorn genom elektrifiering, vilket har lett till en kraftig ökning av utbyggnaden av batterielektriska fordon (BEV). Lastbilar är inget undantag, vilket har fått biltillverkare att flytta fokus mot att producera batterielektriska lastbilar (BET). Medan utsläppen från avgasröret minskar drastiskt, förhindrar vissa aspekter av BET dess utbredda distribution, varav framträdande är räckviddsångesten. Räckvidden för en BET påverkas kraftigt i kallt väder eftersom energi från dragbatterier också används för att värma batteripaketet och kabinen, där minst 70% av kabinluftflödet kontinuerligt släpps ut genom avgasventiler för korrekt ventilation. I denna studie undersöktes tre värmeåtervinningstekniker med målet att utnyttja spillvärmen från evakuering av kabinluft för att minska värmeenergiförbrukning i en BET. En föreslagen teknik använder användning av ett luft-till-luft-värmeåtervinningssystem (AAHRS). Baslinjeexperiment utfördes på en SCANIA-testbil för benchmarking och för att samla in data om prestandan hos det installerade HVAC-systemet, vilket hjälpte prototypstadiet för grundläggande teknisk design för att säkerställa att det är funktionsdugligt och säkert. Prototypen modellerades i CATIA, tillverkades sedan och monterades på testbilen. Valideringsexperiment utfördes för att utvärdera energibesparingarna från prototypen i en klimatkammare under olika inställningar för omgivningstemperatur och fläkthastighet. Studien fann en 20-53% minskning av värmebelastningen med implementeringen av AAHRS, vilket är fördelaktigt för att minska energin som behöver fyllas på av elektriska batterier för en BET. Däremot ökade den elektriska strömförbrukningen 1.7-3.3 gånger högre än baslinjen på grund av ytterligare strömförbrukande komponenter, såsom avgasfläkten och värmehjulsmotorn. Dessutom möjliggjorde förvärmningseffekten från värmehjulsdrift ökningen av HVAC-luftintagstemperaturen med 7-28°C från omgivande nivåer. Sammantaget var energibesparingarna från att integrera AAHRS-prototypen cirka 19-47% med tanke på att kylvätskevärmen producerades från elektrisk värmare som simulerades i experimenten, medan detta intervall uppskattades minska ner till 17-39% om en bilvärmepump istället skulle leverera värmen till hyttvärmarkärnan. Två andra presenterade tekniker fungerar på luft-till-vätska värmeåtervinningssystem (ALHRS), där var och en är tänkt att kopplas separat till ett värmepumpassisterat integrerat värmehanteringssystem (ITMS). Det ena schemat återvinner värme från den evakuerande kabinluften för att höja kylvätskeinloppstemperaturen, medan det andra schemat föreslår att man antar en multiindunstningsprocess i konceptet vätskekyld värmepump, där den evakuerande kabinluften fungerar som den direkta värmekällan för kylaggregatet med högre temperatur. De två scheman utvärderades initialt via ångkompressionssystemets prestandaanalys för att ha potential att öka kondensationsvärmen och kondensorns kylvätskeutloppstemperatur med samtidig ökning av prestandakoefficienten, vilket är fördelaktigt när det gäller tillgänglig värme som kan avledas i nedströms batteriets kylplattor och hyttvärmarens kärna. Som ett första steg mot en bedömning av energibesparingspotentialen hos föreslagna ALHRS-lösningar utvecklades en simuleringsmodell av ett antaget baslinje-ITMS-koncept i denna studie med hjälp av Engineering Equation Solver (EES) -programvara, som sedan validerades mot interna bänktestresultat för en mock-up ITMS-modell. Resultaten av det inledande valideringstestet indikerade ett absolut fel mellan simuleringsutgångarna och provbänksresultaten på 8–14% för kondensationsvärme, medan det var under 7 % för alla andra relevanta prestandaparametrar.

Systematické řízení tepelných a elektrických toků v plně elektrických automobilech se stává velmi důležitým, protože v těchto typech automobilů není k dispozici dostatek odpadního tepla pro vytápění kabiny. Aby v zimním období nedocházelo ke snížení dojezdu, je nutné použití technologií, které umožní snížení spotřeby energie nutné k vytápění kabiny (např. tepelné čerpadlo, zásobník tepla). Je také zapotřebí vytvořit řídicí algoritmy pro tato zařízení, aby byl zajištěn jejich optimální provoz. V letním období je nezbytné řídit tepelné toky v rámci elektromobilu tak, aby nedocházelo k nadměrnému vybíjení baterie kvůli chlazení kabiny a dalších částí. Tato práce řeší jak návrh řídicích algoritmů, tak i vývoj rozhodovacího algoritmu, který zajistí směřování tepelných toků.