Supervisory control and energy consumption optimization for road and marine hybrid electric propulsion systems based on the equivalent consumption minimization strategy
Authors: Αλετράς Νικόλαος 
Published: April 2024

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.