A combined experimental and computational analysis of electrified powertrain vehicles for the parameterization of a simulation platform

Abstract

Road transport is considered as one of the main contributors to air pollution and greenhouse gas emissions. Both light and heavy-duty vehicle fleets are found to be amongst the highest emitters of pollutant and CO2 emissions. To mitigate this, European Union established updated limits (for tailpipe pollutant emissions) and targets (for tailpipe CO2 emissions) aiming towards the minimization of the environmental impact of road transport. One of the main measures for the reduction of tailpipe CO2 emissions is the vehicle electrification, with the manufactures trying to introduce hybrid or electric powertrains to the majority of their models. Although electrified vehicles are based on existing vehicle architectures, the integration of the electric components and control modules increases the complexity of the powertrain remarkably and therefore the need of cost-effective tools (such as simulation platforms) that can be used during the development and calibration of electrified vehicles. To create and parametrize electrified vehicle simulation models that can replicate the operation of actual vehicles it is important to understand their operation and especially the applied energy management strategy. The current thesis describes a combined experimental and computational analysis of electrified powertrain vehicles applied for the identification of the vehicles’ operation and the parameterization of simulation models. The methodology followed includes experimental campaigns with state-of-the-art electrified vehicles. The data analysis targets toward the definition of a rule-based energy management strategy, build upon observations from the tests. The rule-based strategy is then introduced in AVL Cruise and AVL Cruise M simulation platform where the vehicle models are designed. Models are validated against experimental data and used for different applications in the context of virtual testing and model-based evaluation. The methodology applied in the current thesis serves as the basis for the definition of an overall approach that can be used for the development of modular simulation models of vehicles with electrified powertrains. It can also be expanded with the introduction of different energy management strategies or optimization algorithms. The experimental and computational methodology followed within the current thesis was mainly applied to passenger car with a hybrid or plug-in hybrid electric powertrain. To investigate if it is possible to expand this methodology to electric powertrains (configuration considered as the successor of plug-in hybrid electric powertrains) and heavy-duty vehicles, the methodology was applied to battery electric buses. Hence experimental and simulation activities were performed for the evaluation of energy consumption and electric range of battery electric busses under real world conditions. The present study covered a wide range regarding of the investigation on the operation of vehicles with electrified powertrains. The models and the simulation approach described can used as a base to expand the research towards the introduction of energy management control strategies that are based on optimization algorithms, the enhancement of the simulating models with the introduction of 2D/3D models of the internal combustion engine or the electric machines can replace the respective map based sub-models, expansion of the model for software in the loop and model-based development applications.

Ο τομέας των οδικών μεταφορών θεωρείται ως ένα από τους σημαντικότερους παράγοντες που συμβάλουν στην ατμοσφαιρική ρύπανση και στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Οι στόλοι των επιβατηγών αλλά και βαρέων επαγγελματικών οχημάτων συγκαταλέγονται μεταξύ των υψηλότερων πηγών εκπομπών ρύπων και διοξειδίου του άνθρακα. Για να μετριαστεί η συνεισφορά τους στην αέρια ρύπανση, η Ευρωπαϊκή Ένωση θέσπισε ανανεωμένα όρια για τις εκπομπές ρύπων από τα οχήματα αλλά και νέους στόχους για τις εκπομπές CO2. Η νέα νομοθεσία προσβλέπει στην ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των οδικών μεταφορών. Ένα από τα κύρια μέτρα για τη μείωση των εκπομπών CO2 είναι η ηλεκτροκίνηση και ο εξηλεκτρισμός των οχημάτων, με τους κατασκευαστές να προσπαθούν να εισάγουν υβριδικά ή ηλεκτρικά συστήματα μετάδοσης κίνησης στην πλειονότητα των μοντέλων τους. Τα ηλεκτροκίνητα οχήματα βασίζονται σε υπάρχουσες αρχιτεκτονικές οχημάτων, όμως η ενσωμάτωση των ηλεκτρικών εξαρτημάτων και των μονάδων ελέγχου αυξάνει σημαντικά την πολυπλοκότητα του συστήματος μετάδοσης κίνησης και συνεπώς την ανάγκη για οικονομικά αποδοτικά εργαλεία (όπως πλατφόρμες προσομοίωσης) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά τον σχεδιασμό εξηλεκτρισμένων οχημάτων. Για τη δημιουργία και την παραμετροποίηση μοντέλων προσομοίωσης που μπορούν να αναπαράγουν τη λειτουργία των πραγματικών εξηλεκτρισμένων οχημάτων, είναι σημαντική η κατανόηση της λειτουργία τους και ιδιαίτερα της στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας που εφαρμόζουν. Η παρούσα διατριβή περιγράφει μια συνδυασμένη πειραματική και υπολογιστική ανάλυση εξηλεκτρισμένων οχημάτων που εφαρμόζεται για την αναγνώριση της λειτουργίας τους και την παραμετροποίηση μοντέλων προσομοίωσης. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει την διεξαγωγή πειραματικών μετρήσεων με σύγχρονα εξηλεκτρισμένα (υβριδικά και υβριδικά με ρευματολήπτη) οχήματα. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων στοχεύει στην αναγνώριση της στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας που εφαρμόζεται στα οχήματα. Σκοπός είναι ο προσδιορισμός ελεγκτών διαχείρισης ενέργειας που λειτουργούν βάσει κανόνων (rule-based) και προκύπτουν από τις παρατηρήσεις κατά την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων. Ο ελεγκτής διαχείρισης ενέργειας εισάγεται στην πλατφόρμα προσομοίωσης AVL Cruise/Cruise M όπου σχεδιάζονται και ρυθμίζονται τα μοντέλα οχημάτων. Η επικύρωση των μοντέλων πραγματοποιείται με σύγκριση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης και τα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. Η μεθοδολογία που εφαρμόζεται στην παρούσα διατριβή χρησιμεύει ως βάση για τον ορισμό μιας προσέγγισης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη παραμετροποιήσιμων μοντέλων προσομοίωσης οχημάτων με εξηλεκτρισμένα συστήματα ισχύος. Επιπλέον μπορεί να επεκταθεί εισάγοντας διαφορετικές στρατηγικές διαχείρισης ενέργειας ή αλγόριθμους βελτιστοποίησης. Η συνδυασμένη πειραματική και υπολογιστική ανάλυση που ακολουθήθηκε κατά την παρούσα διατριβή εφαρμόστηκε κυρίως σε επιβατηγά (HEV & PHEV) οχήματα. Για την διερεύνηση εάν δύναται να επεκταθεί σε οχήματα με αμιγώς ηλεκτρικό σύστημα ισχύος (θεωρούνται ως διάδοχος των plug-in υβριδικών) και σε βαρέα οχήματα, εφαρμόστηκε κατά την μελέτη πλήρως ηλεκτρικών λεωφορείων. Έτσι πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις και προσομοιώσεις για την αξιολόγηση της κατανάλωσης ενέργειας και της εμβέλειας των ηλεκτρικών λεωφορείων υπό πραγματικές συνθήκες. Η παρούσα μελέτη κάλυψε ένα ευρύ φάσμα της λειτουργίας των εξηλεκτρισμένων οχημάτων. Τα μοντέλα και η προσέγγιση που περιγράφονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βάση για την επέκταση της έρευνας προς την εισαγωγή αλγορίθμων βελτιστοποίησης, τη βελτίωση των μοντέλων προσομοίωσης με την εισαγωγή μοντέλων 2D/3D του κινητήρα εσωτερικής καύσης ή των ηλεκτρικών μηχανών και την επέκταση του μοντέλου για εφαρμογές ανάπτυξης που βασίζεται σε μοντέλα και software in the loop.