JET 47 JET Volume 14 (2021) p.p. 47-55 Issue 2, October 2021 Type of article 1.01 www.fe.um.si/en/jet.html GEOMETRY DESIGN AND ANALYSIS OF AN ELECTRIC BUS FOR THE INTERIOR THER-MAL MODELLING DIZAJNIRANJE IN ANALIZA TERMIČNEGA MODELIRANJA NOTRANJOSTI ELEKTRIČ-NEGA AVTOBUSA Costică Nițucă 1 , Gabriel Chiriac 1R , Georgel Gabor 1 , Ilie Nucă 2 , Vadim Cazac 2 , Marcel Burduniuc 2, Keywords: heat transfer, electric bus, passenger comfort, geometry design, thermal modelling Abstract The heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) system represents the main auxiliary load for any type of bus. Being the most significant energy-consuming auxiliary load for the electric bus, it must be given special attention in an electric bus system design. To study the heat transfer and thermal optimization for passenger comfort in the electric bus computer-aided design (CAD) is used. The geometry of an electric bus interior is designed considering the main components of the vehicle: passenger cabin, driver’s cabin, windows, walls, and seats. Materials of the same type as those used in the real bus are considered for the geometry model. Based on the heat transfer theory, a thermal model and simulations are made for the heat transfer inside the elec- tric bus. The simulated data are compared with measurement data, and based on these, it can be concluded that the thermal model of the electric bus can be validated and used further for a wide variety of thermal simulation types. R Corresponding author: Lecturer Ph.D., Chiriac Gabriel, Tel.: +040 727 645058, Mailing address: Bd. Prof. Dimitrie Mange - ron, nr. 21-23, 700050 Iasi, Romania, E-mail address: gchiriac@tuiasi.ro 1 “Gheorghe Asachi” Technical University from Iasi, Faculty of Electrical Engineering, Romania 2 Technical University of Moldova, Chisinau, Faculty of Power and Electrical Engineering, Republic of Moldova 48 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Costică Nițucă, Gabriel Chiriac, Georgel Gabor, Ilie Nucă, Vadim Cazac, Marcel Burduniuc 2  Costică Nițucă, Gabriel Chiriac, Georgel Gabor, Ilie Nucă, Vadim Cazac, Marcel  Burduniuc  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  Povzetek Sistem  ogrevanja,  prezračevanja  in  klimatizacije  (HVAC)  predstavlja  glavno  dodatno  obremenitev  za  vse  vrste  avtobusov.  Ker  gre  za  sistem  z  največjo  porabo  energije  pri  električnem avtobusu, mu moramo posvetiti posebno pozornost pri dizajniranju električnega  avtobusa. Pri študiji prenosa toplote in optimizaciji v smislu udobja potnikov smo uporabili  računalniško  podprto  dizajniranje  (CAD).  Postavitev  notranjosti  električnega  avtobusa  je  zasnovana glede na glavne komponente vozila: prostor za potnike, prostor za voznika, okna,  stene  in  sedeže.  V  oblikovanem  modelu  so  uporabljeni  materiali  iste  vrste  kot  v  realnih  avtobusih.  Na  podlagi  teorije  o  prenosu  toplote  smo  naredili  model  in  simulacije  prenosa  toplote znotraj električnega avtobusa, nakar smo primerjali podatke iz simulacije s podatki iz  meritev. Iz izvlečkov omenjene primerjave lahko zaključimo, da je termični model električnega  avtobusa mogoče validirati in nadalje uporabiti za najrazličnejše termične simulacije.     1 INTRODUCTION Energy consumption per trip for an urban vehicle is a major design factor, which is influenced by  the driving pattern, the topology, the climate conditions and the payload. The energy required  by the auxiliaries is not negligible, so that the efficiency enhancement of the auxiliaries could  lead to an improvement of global energy use in the vehicle, which is particularly important for  innovative means of transport which are characterised by a limited range, such as that of an  electric bus.    The importance of energy consumption for non‐traction needs is revealed when considering the  percentage distribution of energy consumption in annual scales for a bus system [1]: traction  needs represent about 52%, non‐traction needs on stopping about 13% and non‐traction needs  for route operation about 35%.    A key parameter affecting the auxiliary energy consumption is the external temperature. A rise  of 10  o C can lead to an energy consumption increase of about 0.75kWh/km [2].   An important input parameter is the setpoint temperature within the electric bus cabin. Usually,  the setpoint is kept at a constant temperature that is comfortable for the passengers inside the  bus, but the “comfort aspect” is a relative aspect concept. What a person perceives as a  comfortable temperature depends on many parameters, such as [3] air humidity, air velocity,  radiation, seasonal effects, and metabolism.   Attention  is  given  to  the  optimization  of  the  thermal  system  of  electric  vehicles.  This  functionality can be synthesized as:   1. Dynamic temperature setpoint: By considering the different aspects of comfort, an energy‐ optimized  temperature  setpoint  control  can  be  implemented.  For  example,  a  temperature  setpoint can vary over the day to account for ambient temperature changes. This results in  lower energy consumption of the HVAC system [3].    2. Pre‐conditioning: The energy that is required for the heat to control the cabin climate is taken  from  the  battery.  Therefore,  this  might  affect  the  driving  range  of  the  vehicle.  Besides  minimizing the energy consumption of the HVAC system, pre‐conditioning can also be applied  to improve the vehicle’s driving range of the vehicle. Pre‐conditioning means that the cabin  JET 49 Geometry design and analysis of an electric bus for the interior thermal modelling   Geometry design and analysis of an electric bus for the interior thermal  modelling  3       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  climate  is  already  controlled  towards  the  desired  temperature  while  the  vehicle  is  still  connected to the charger, either in the depot or en route at terminal stops.   Heat transfer theory, heat balance method and U‐Value definition are the foundations used in  calculations and modelling [4]. Based on the heat transfer theory, there are three mechanisms  for transferring heat: conduction, convection and radiation.   The Heat Balance Method is a common method for calculation of heating and cooling loads in a  space or zone [4]. The total heat released into the cabin is given by:   ‐ Ambient load, as the thermal load caused by the temperature gradient between inside air and  the ambient temperature,  ‐ Radiation loads,   ‐ Metabolic load, generated by human body,  ‐ Ventilation load, as the flow of fresh air,  ‐ Engine/Motor load, due to the bus motors,  ‐ AC load, for keeping the internal temperature in the comfort zone by heating or cooling.   The heating, ventilation and air‐conditioning (HVAC) system represents the main auxiliary load  for any type of bus. Being the most significant energy‐consuming auxiliary load for the electric  bus, it must be given special attention in an electric bus system design. The HVAC systems  usually  implemented  in  electric  buses  is  composed  from  a  rooftop  unit  comprising  a  compression refrigeration machine and several heat exchangers for air cooling and heating.  Heating can be also performed by heaters placed at the floor level and supplied from the main  power supply, or from an auxiliary supply system (such as a battery), [5‐8].   Energy needs for resistance heating can significantly increase the vehicle’s energy consumption.  From measurements on a 12 m electric bus [9], it is estimated the average electric power  necessary to keep the interior of the vehicle at 17  o C on a cold winter day with ambient  temperature of approximately ‐10  o C is around 24 kW. Assuming a specific energy demand for  traction and non‐HVAC auxiliaries of 1.2 kWh/km, a plausible value according to measurements,  a constant 24 kW load for heating will increase vehicle consumption by 1.3 kWh/km at an  average velocity of 18 km/h and 2 kWh/km at an average velocity of 12 km/h.   Possible  measures  to  reduce  energy  consumption  of  the  HVAC  system  include  improved  thermal  insulation,  double‐glazed  windows,  door  air  curtains  and  using  improved  control  systems. Differently from the conventional HVAC system on current buses, [10] an integrated  air‐conditioning and heating system specifically for an electric bus are proposed. For an i‐HVAC  (integrated HVAC) system, an electrical heat pump type should be considered.                50 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Costică Nițucă, Gabriel Chiriac, Georgel Gabor, Ilie Nucă, Vadim Cazac, Marcel Burduniuc 4  Costică Nițucă, Gabriel Chiriac, Georgel Gabor, Ilie Nucă, Vadim Cazac, Marcel  Burduniuc  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  2 HEAT TRANSFER MODEL Thermal conduction is estimated considering Fourier’s Law, with heat flux given by:    q=‐k∙dT/dx [W/m2]   (2.1)  where:  q is the heat flux,  k is the thermal conductivity, [W/m 2 K],   T is temperature, [ o C],   x direction of the heat flux, [m].  Thermal convection is considered for the heat transfer between the air and the solid structure  of the bus. Newton’s formula is considered in this case for the heat flux estimation:    q=‐h∙(Ts‐Tf) [W/m2]  (2.2)  where:  q is the heat flux,  h heat transfer coefficient, [W/m 2 K],   Ts is the temperature of the solid, [ o C],   Tf is the temperature of the fluid, [ o C].  3 DESIGNING THE INTERIOR GEOMETRY MODEL OF THE ELECTRIC BUS To study the heat transfer and thermal optimization for passenger comfort in the electric bus,  computer‐aided design (CAD) is used, COMSOL Multiphysics, which has a special application for  thermal aspects, the Heat Transfer Module. In order to simulate the heat process inside the bus,  the  following  steps  are  to  be  followed:  geometry  modelling,  physics  settings,  solving,  and  results.  The geometry of the electric bus is constructed as a basic geometry and is composed from:  passenger cabin; driver’s cabin; bus walls; windshield; windows; floor; roof; doors; wheels;  passengers seats; electric air heat units inside the passenger cabin; heating block inside the  driver’s cabin.  The dimensions of the electric bus are designed in the geometry model according to the actual  dimensions of the real vehicle, an E321 electric bus used currently in public transportation in  Chisinau, Republic of Moldova [11, 12]. This is a low‐floor compartment vehicle with a capacity  of about 100 passengers, with a 150kW electric motor, with four heating units inside the  passenger cabin. The components of the vehicle described above are also designed on the  geometry model considering their actual dimensions on the electric bus. Thus, the model and  the simulation results will be close to reality.   JET 51 Geometry design and analysis of an electric bus for the interior thermal modelling   Geometry design and analysis of an electric bus for the interior thermal  modelling  5       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  The first step to build the geometry model of the electric bus was to design the passengers’  cabin and the driver’s cabin. For the modelling and simulations these areas will be considered to  be filled with air.   The second step in designing the geometry model is to design the exterior components, such as  the front wall, rear wall, lateral walls, front windows (windshield), rear window, lateral windows  and the doors. For this, a 2D representation was used (Figure 1), as a work plane design and  plane geometry design. For each of these components, coordinates for the size, shape and  position are transferred into the geometry model.       F i g u r e  1: 2D design of the bus    Having the main structure of the geometry model, the heaters can be designed inside the  cabins. The passenger cabin is designed with four heaters and the driver’s cabin with one heater  (Figure 2). Thus, in the passenger cabin, the first heater is placed on the right side of the vehicle,  next to the third door, a second heater is placed on the left side of the vehicle, in the middle  area, the third heater is placed on the right side, after the second door, and the fourth heater is  placed in front of the cabin, next to the glazed partition which separates the driver’s cabin from  the passenger compartment (Figure 2).     F i g u r e  2: Heater positions inside the electric bus   52 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Costică Nițucă, Gabriel Chiriac, Georgel Gabor, Ilie Nucă, Vadim Cazac, Marcel Burduniuc 6  Costică Nițucă, Gabriel Chiriac, Georgel Gabor, Ilie Nucă, Vadim Cazac, Marcel  Burduniuc  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  A non‐transparent view can be used for a better identification of some of the components, as in  Figure  3,  where  the  front  door  is  selected  to  accentuate  its  position,  dimensions,  and  properties. A 3D grid can be also displayed in order to estimate the spatial distribution of the  components.   The last main component of the geometry model is the current collecting system of the electric  bus. This system is placed on the vehicle roof and consists of two skates placed on two core  bars, which assure the vehicle’s energy supply when it operates in a non‐autonomous way, like  a trolley‐bus (Figure 4).      Fi g u r e  3: Non‐transparent view of the geometry model   The finalized geometry has 87 domains, 676 boundaries, 1351 edges, and 773 vertices. This  results in the basic geometry model of the electric bus, which will be used for the simulations.     Figure  4: The basic geometry model of the electric bus; transparent view  The materials considered for the components of the bus for the model are iron, glass, acrylic  plastic, fibreglass and PMMA – polymethyl methacrylate. The interior volume of the bus is  modelled as filled with air.    JET 53 Geometry design and analysis of an electric bus for the interior thermal modelling   Geometry design and analysis of an electric bus for the interior thermal  modelling  7       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  4 SIMULATION RESULTS AND ANALYSIS The main results of the simulations based on the thermal model are shown in Figure 5. Figure 5  shows the temperature distribution inside the electric bus with a view from the right side of the  vehicle. The temperatures are estimated at the surfaces of the bus components. It can be  observed that the highest temperature, as expected, is at the heaters (40  o C), and the lowest  temperature is at the exterior surface of the roof, next to the power collecting box system  where the trolleys are attached (17.3 o C).     Figure  5: Simulation results for the temperature distribution in the bus   For a better visualization of the temperature distribution, it can be seen from the temperature  variation along the electric bus that the higher temperatures are measured around the area  where the heaters are placed and the lower temperature (between 17  o C and about 25  o C) in  the area farthest from the heaters. For the validation of the thermal model, some experimental  measurements of temperatures were taken at the various points in the interior of the electric  bus. The results of the simulations were compared with the measured temperatures.   The temperatures were measured in different areas inside the electric bus with a point‐and‐ shoot  infrared  camera  (FLIR  thermal‐imaging  camera).  The  temperature  measured  in  the  driver’s cabin is 27.8 o C, quite comfortable for the driver. The temperature measured inside the  electric bus, next to a heater, is 41.3  o C. These measurements are compared with the values  resulting from the thermal simulation presented above. As seen in Figure 5, the simulated  maximum temperatures inside the driver’s cabin are between 25.2  o C and 27.9  o C, which are  quite close to the measured temperature of 27.8  o C (Figure 6). As for the heaters, the simulated  temperature is 40  o C, which is close to the measured one of 41.3  o C. Comparing the simulated  and measured temperatures, it can be concluded that the thermal model of the electric bus can  be validated as correct and be used further for a wide variety of simulation types in order to  estimate the optimal solution to improve heat transfer inside the electric bus.   54 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Costică Nițucă, Gabriel Chiriac, Georgel Gabor, Ilie Nucă, Vadim Cazac, Marcel Burduniuc 8  Costică Nițucă, Gabriel Chiriac, Georgel Gabor, Ilie Nucă, Vadim Cazac, Marcel  Burduniuc  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Figure  6: Temperature measured with a thermal‐imaging camera on the driver’s cabin   5 CONCLUSIONS The geometry of an electric bus interior is designed considering the main components of the  vehicle:  passenger  cabin,  driver’s  cabin,  windows,  walls,  seats  and  the  main  materials  in  accordance with a real bus. To study the heat transfer into the electric bus, a computer‐aided  design is used based on the heat transfer theory. A thermal model and simulations are made for  the heat transfer inside the electric bus. The simulated data are compared with measurement  data, and based on these data, it can be concluded that the thermal model of the electric bus  can be validated and used further for various thermal simulations.     References [1]   I.  Evtimov, R.  Ivanov,  M.  Sapundjiev:  Energy  consumption  of  auxiliary  systems  of  electric cars, MATEC web of conferences, EDP Sciences Vol. 133, p. 06002, 2017   [2]   M.  Bartłomiejczyk,  R.  Kołacz:  The  reduction  of  auxiliaries  power  demand:  The  challenge for electromobility in public transportation, Journal of Cleaner Production,  252, 119776, 2020   [3]   M.  M.,  Hasan,  J.,  Maasc,  M.  El  Baghdadia,  R.  de  Grootc,  O.  Hegazya:  Thermal  Management Strategy of Electric Buses towards ECO Comfort, In proceedings of 8 th  Transport Research Arena Conference, TRA, 2020   [4]  H. Sahraei: Interior Climate U‐Value calculation and optimization for electric buses at  Volvo  buses,  Master’s  thesis,  Department  of  Mechanics  and  Maritime  Sciences  Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden, 2020  [5]  D. Göhlich, T.‐A. Ly, A. Kunith, D. Jefferies: Economic assessment of different air‐ conditioning  and  heating  systems  for  electric  city  buses  based  on  comprehensive  energetic  simulations,  In  EVS28  International  Electric  Vehicle  Symposium  and  Exhibition, Kintex, Korea, May 3_6 (ed. Electric Vehicle Symposium (EVS)), 2015   [6]  M.  Vražić, O. Barić, P. Virtič: Auxiliary systems consumption in electric vehicle, Przegląd  elektrotechniczny, Vol. 90, Iss. 12, p.p. 172‐175, 2014   JET 55 Geometry design and analysis of an electric bus for the interior thermal modelling   Geometry design and analysis of an electric bus for the interior thermal  modelling  9       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  [7]  T. Zhang, C. Gao, Q.  Gao, G. Wang, M. Liu, Y. Guo, Y.Y. Yan: Status and development  of  electric  vehicle  integrated  thermal  management  from  BTM  to  HVAC,  Applied  Thermal Engineering, Vol. 88, p.p. 398‐409, 2015   [8]  H. He, M. Yan, C. Sun, J. Peng, M. Li, H. Jia: Predictive air‐conditioner control for  electric buses with passenger amount variation forecast, Applied energy, Vol. 227, p.p.  249‐261, 2018  [9]  D. Göhlich, T. A. Fay, D. Jefferies, E.  Lauth, A. Kunith, X. Zhang: Design of urban  electric bus systems, Design Science, Vol. 4, 2018  [10]  I. S. Suh, M. Lee, J. Kim, S.T. Oh, J.P. Won: Design and experimental analysis of an  efficient HVAC (heating, ventilation, air‐conditioning) system on an electric bus with  dynamic on‐road wireless charging, Energy, Vol. 81, p.p. 262‐273, 2015   [11]  https://bkm.by/en/   [12]  V.  Esanu,  A.  Motroi,  I.  Nuca,  Iu.  Nuca:  Electrical  Buses:  Development  and  Implementation in Chisinau Municipality, Moldova, 2019 International Conference on  Electromechanical and Energy Systems (SIELMEN), 2019     Acknowledgement This  paper  is  a  result  of  researches  funded  by  the  European  Union  on  Joint  Operational  Programme  Romania‐  Republic  of  Moldova  –  financed  by  the  European  Neighbourhood  Instrument (ENI), Cross Border Cooperation (CBC), within the project: “ELBUS ‐ Improving the  cross‐border  public  transportation  using  electric  buses  supplied  with  renewable  energy”,  project reference number 2SOFT/3.1/54.   Nomenclature  (Symbols)  (Symbol meaning)  h  heat transfer coefficient, [W/m 2 K]  k  thermal conductivity, [W/mK]  q  heat flux  T  temperature, [ o C]  T s  temperature of the solid, [ o C]  T f  temperature of the fluid, [ o C]  x  direction of the heat flux, [m]