A combined experimental and computational analysis of electrified powertrain vehicles for the parameterization of a simulation platform
Authors: Δουλγέρης Στυλιανός 
Published: April 2024

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.