Supervisory control and energy consumption optimization for road and marine hybrid electric propulsion systems based on the equivalent consumption minimization strategy

Abstract

This thesis developed new equivalent consumption minimization strategy (ECMS) algorithms to reduce CO2 emissions from different means of transport with hybrid propulsion systems. Three separate studies explored the application of these novel ECMS algorithms in distinct contexts: passenger plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), plug-in hybrid electric truck (PHET) and hybrid deep sea ship. Each study leveraged real-world data and simulations to evaluate the performance of the proposed algorithms and compare them to existing solutions. Firstly, the thesis investigates alternative energy management system (EMS) algorithms for PHEVs. The research aimed to identify the optimal fuel consumption (FC) solution by comparing an ECMS algorithm with a back-engineered commercial rule-based (RB) algorithm under different operating conditions. The RB algorithm's validity was first established using experimental data. Next, a novel method was developed to assess the performance of different algorithms under identical states of charge variations, vehicle distance travelled, and wheel power demand criteria. This method was then employed to evaluate both the RB and ECMS algorithms under various driving conditions and component size variations. The two algorithms lead to FC differences of 3.4% over the WLTC, while the maximum difference of 24.2% was observed for a driving cycle with low average speed (18.4 km/h). Further to FC performance optimization, the ECMS algorithm also appears superior in terms of adaptability to different driving cycles and component sizing variations. In the next step, the thesis investigates the potential for FC savings in hybrid heavy-duty vehicles by implementing a new predictive ECMS (PECMS) as the control algorithm in the EMS. A PHET simulation model was developed as a demonstrator and validated against experimental data. This baseline model utilized the same algorithm as VECTO, which was further enhanced in this study by incorporating novel factors that contained average predicted power demand. The potential benefits of the proposed PECMS algorithm were evaluated for different heavy-duty vehicle categories across regulatory mission profiles, considering both charge-sustaining and charge-depleting modes. The results show that the FC can be reduced by up to 5.9 % and 4.4% in charge sustaining and charge depleting modes, respectively, depending on the mission profile. If such an algorithm is adopted by commercial vehicles, this could lead to substantial CO2 and FC savings on the road. As a last step, the thesis examines FC savings in a hybrid ship powertrain equipped with a 2-stroke main engine. A novel adaptive ECMS utilizing a controllable pitch propeller (CPP) is implemented as the control algorithm. A non-hybrid powertrain model was initially developed as a demonstrator, utilizing real-world data for FC and efficiency maps. This baseline model was then transformed into a hybrid configuration by introducing a shaft generator, battery, CPP, and the supervisory control algorithm. The potential benefits of this proposed hybrid powertrain are then evaluated across different operating phases, including port stay, open sea sailing, and port approach. The result showed that the energy efficiency gains can reach up to 6% under open sea sailing phase. Furthermore, the CPP offers additional energy efficiency benefits of 2% under port approach phase, utilizing the proposed algorithm. If the proposed powertrain is produced and the implemented algorithm is adopted, this could lead to substantial CO2 savings at sea.

Η παρούσα διατριβή ανέπτυξε νέους αλγορίθμους βασισμένους στην ελαχιστοποίηση της ισοδύναμη κατανάλωσης (ECMS) για τη μείωση των εκπομπών CO2 από διάφορα μέσα μεταφοράς με υβριδικά συστήματα πρόωσης. Τρεις ξεχωριστές μελέτες εξερεύνησαν την εφαρμογή αυτών των πρωτοποριακών αλγορίθμων ECMS σε διακριτά πλαίσια: επιβατικό υβριδικό ηλεκτρικό όχημα με δυνατότητα φόρτισης από την πρίζα (PHEV), βαρύ φορτηγό υβριδικό ηλεκτρικό όχημα με δυνατότητα φόρτισης από την πρίζα (PHET) και υβριδικό πλοίο βαθιάς θαλάσσης. Κάθε μελέτη αξιοποίησε δεδομένα και προσομοιώσεις πραγματικού κόσμου για να αξιολογήσει την απόδοση των προτεινόμενων αλγορίθμων και να τους συγκρίνει με υπάρχουσες λύσεις. Αρχικά, η διατριβή ερευνά εναλλακτικούς αλγορίθμους συστήματος διαχείρισης ενέργειας (EMS) για PHEV. Η έρευνα είχε ως στόχο να προσδιορίσει την βέλτιστη λύση κατανάλωσης καυσίμου (FC) συγκρίνοντας έναν αλγόριθμο ECMS με έναν αλγόριθμο βασισμένο σε κανόνες (RB) που έχει ανακατασκευαστεί εμπορικά, υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Η εγκυρότητα του αλγορίθμου RB διαπιστώθηκε αρχικά χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος για την αξιολόγηση της απόδοσης διαφορετικών αλγορίθμων υπό όμοια κριτήρια μεταβολών κατάστασης φόρτισης, διανυθείσας απόστασης οχήματος και ζήτησης ισχύος τροχών. Στη συνέχεια, η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση τόσο των αλγορίθμων RB όσο και των ECMS υπό διάφορες συνθήκες οδήγησης και παραλλαγές μεγέθους εξαρτημάτων. Οι δύο αλγόριθμοι οδηγούν σε διαφορές κατανάλωσης καυσίμου 3,4% πάνω από το WLTC, ενώ η μέγιστη διαφορά 24,2% παρατηρήθηκε για κύκλο οδήγησης με χαμηλή μέση ταχύτητα (18,4 km/h). Πέρα από τη βελτιστοποίηση των επιδόσεων κατανάλωσης καυσίμου, ο αλγόριθμος ECMS φαίνεται επίσης ανώτερος όσον αφορά την προσαρμοστικότητα σε διαφορετικούς κύκλους οδήγησης και παραλλαγές μεγέθους εξαρτημάτων. Στη συνέχεια, η διατριβή εξετάζει τις δυνατότητες εξοικονόμησης καυσίμου σε υβριδικά οχήματα βαρέως τύπου με την εφαρμογή ενός νέου προβλεπτικού ECMS (PECMS) ως αλγόριθμου ελέγχου στο Σύστημα Διαχείρισης Ενέργειας (ΣΔΕ). Αναπτύχθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης PHET ως επίδειξη και επικυρώθηκε έναντι πειραματικών δεδομένων. Αυτό το βασικό μοντέλο χρησιμοποίησε τον ίδιο αλγόριθμο με το VECTO, ο οποίος βελτιώθηκε περαιτέρω σε αυτή τη μελέτη με την ενσωμάτωση νέων παραγόντων που περιείχαν μέση αναμενόμενη ζήτηση ισχύος. Τα πιθανά οφέλη του προτεινόμενου αλγορίθμου PECMS αξιολογήθηκαν για διαφορετικές κατηγορίες οχημάτων βαρέως τύπου σε κανονιστικά προφίλ αποστολών, λαμβάνοντας υπόψη τόσο τις λειτουργίες διατήρησης φόρτισης όσο και εξάντλησης φόρτισης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κατανάλωση καυσίμου (FC) μπορεί να μειωθεί έως και 5,9% και 4,4% στις λειτουργίες διατήρησης και εξάντλησης φόρτισης αντίστοιχα, ανάλογα με το προφίλ αποστολής. Εάν ένας τέτοιος αλγόριθμος υιοθετηθεί από εμπορικά οχήματα, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντική εξοικονόμηση CO2 και καυσίμου στους δρόμους. Τέλος, η διατριβή εξετάζει την εξοικονόμηση καυσίμου σε υβριδικό σύστημα μετάδοσης κίνησης πλοίου εξοπλισμένο με κύρια μηχανή 2 χρόνων. Ένας νέος προσαρμοστικός ECMS που χρησιμοποιεί έλικα μεταβλητού βήματος (CPP) εφαρμόζεται ως ο αλγόριθμος ελέγχου. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα μοντέλο μη υβριδικού συστήματος μετάδοσης κίνησης ως επίδειξη, χρησιμοποιώντας δεδομένα πραγματικού κόσμου για χάρτες κατανάλωσης καυσίμου και απόδοσης. Στη συνέχεια, αυτό το βασικό μοντέλο μετασχηματίστηκε σε υβριδική διαμόρφωση με την εισαγωγή γεννήτριας άξονα, μπαταρίας, CPP και του αλγορίθμου εποπτικού ελέγχου. Στη συνέχεια, αξιολογούνται τα πιθανά οφέλη αυτού του προτεινόμενου υβριδικού συστήματος μετάδοσης κίνησης σε διάφορες φάσεις λειτουργίας, όπως η παραμονή στο λιμάνι, ο πλεύσης σε ανοιχτή θάλασσα και η προσέγγιση λιμανιού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα οφέλη ενεργειακής απόδοσης μπορούν να φτάσουν έως και το 6% κατά τη φάση του πλεύσης σε ανοιχτή θάλασσα. Επιπλέον, το CPP προσφέρει πρόσθετα οφέλη ενεργειακής απόδοσης κατά 2% κατά τη φάση προσέγγισης λιμανιού, χρησιμοποιώντας τον προτεινόμενο αλγόριθμο. Εάν παραχθεί το προτεινόμενο σύστημα μετάδοσης κίνησης και υιοθετηθεί ο εφαρμοσμένος αλγόριθμος, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντική εξοικονόμηση CO2 στη θάλασσα.