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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxix 1 Background and Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Trends in Modern Automotive Industry . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 NEXTCAR Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Literature Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Organization of Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 vii 2.1 Vehicle Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Cabin Temperature Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Solar Irradiation Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4 Cabin Blower Flow Rate Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5 Cabin Thermal Masses Characterization . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6 CAN Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.7 Argonne National Laboratory (ANL) Test Data . . . . . . . . . . . 23 3 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.1 HVAC Heating Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.2 HVAC Cooling Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 Cabin Thermal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.1 HVAC supply heat flow rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2.2 Heat transfer interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.3 Radiative heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.4 Heat from occupants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.5 Auxiliary heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.6 Solar heat flow rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.7 Solar irradiation load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Engine Coolant Temperature Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4 Cabin Electric Heater Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 viii 3.5 Battery Electric Heater Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.6 Cabin Heater Core Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.7 Catalyst Temperature Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.8 Compressor Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4 Model Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1 Characterization of Cabin Thermal Dynamics . . . . . . . . . . . . 51 4.2 Cabin Blower Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.3 Cabin Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.4 Coolant Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.5 Catalyst Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.6 Cabin Electric Heater Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.7 A/C Compressor Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5 Vehicle Energy Consumption Reduction Strategies . . . . . . . . 65 5.1 Integrated HVAC – Powertrain Operation . . . . . . . . . . . . . . 65 5.1.1 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.2 Coordinated Thermal Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.2.1 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.3 Monte Carlo Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.3.1 Integrated HVAC – Powertrain Operation . . . . . . . . . . 83 5.3.2 Coordinated Thermal Management . . . . . . . . . . . . . . 85 ix 6 Conclusion and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 A Publication from thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 B Summary of Model and Data Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 B.1 Chapter 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 B.2 Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 B.3 Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 B.4 Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 B.5 Chapter 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 C Summary of Figure Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

MODELING OF THERMAL DYNAMICS IN CHEVROLET VOLT GEN II HYBRID ELECTRIC VEHICLE FOR INTEGRATED POWERTRAIN AND HVAC OPTIMAL OPERATION THROUGH CONNECTIVITY