Internal combustion engine and electric vehicles powertrain optimization. Comparison of optimization methods

Starting from 20th century, global warming and greenhouse effects due to pollution have become important problems to be faced. Commonly, one major cause of greenhouse gases production is identified in the exhaust gases generated by the combustion of fossil fuels in conventional Internal Combustion Engine vehicles. As a consequence, even more stringent emission regulations worldwide have made critical the development of conventional vehicles. For this reason, in recent years many innovative solutions have been presented in the ground vehicles field and nowadays the development of hybrid and full electric vehicles represents a challenge to reduce emissions of passenger cars without penalizing the vehicle performance. Many efforts have been done for improving these vehicle technologies and overcoming their major drawbacks e.g. the long time needed to recharge the battery in full electric vehicles. This Thesis has the main focus on optimizing the vehicle performance and the fuel consumption for both electric and conventional vehicles, considering at the same time electric motors and internal combustion engines and varying the transmission parameters, together with the vehicle mass. For this scope, multi-objective optimization algorithms have been implemented, since they can manage conflicting objective functions. Thus, it has been necessary to model both electric and conventional vehicles. Fuel consumption and performance optimization for both the types of vehicle has been completed, by adopting different algorithms. A comparison between the two vehicle types has been presented, underlining the optimization results and performing a Well to Wheel analysis to understand the impact of fuel production on consumption and emissions.

A partire dal Ventesimo secolo, il surriscaldamento globale e l’effetto dei gas serra sono diventati un importante problema da affrontare. Solitamente, una delle cause di produzione di gas serra è identificata nell’emissione di gas esausti generati dalla combustione di benzina o diesel nei motori a combustione interna propri dei veicoli convenzionali. Di conseguenza, norme sempre più stringenti hanno reso critici lo sviluppo e la produzione di veicoli che rispettino queste normative. Per questo motivo, i recenti sviluppi tecnologici si sono focalizzati sullo studio e sulla produzione di veicoli ibridi ed elettrici, per ridurre le emissioni senza penalizzare le performance del veicolo stesso. Molti sforzi sono stati effettuati per cercare di migliorare queste tecnologie e superare i maggiori svantaggi che esse presentano, come il tempo di ricarica della batteria e il suo costo, per quanto riguarda i veicoli elettrici. Questa Tesi si colloca in questo contesto e si pone l’obiettivo di ottimizzare performance e consumi di veicoli elettrici e convenzionali, considerando allo stesso tempo i parametri di motore (a combustione o elettrico), le caratteristiche della trasmissione, e la massa del veicolo. Per fare ciò, sono stati implementati algoritmi di ottimizzazione multi-obiettivo, che permettono di considerare contemporaneamente funzioni obiettivo in conflitto tra loro. È stata quindi necessaria la modellazione di entrambi i tipi di veicoli. È stata quindi implementata l’ottimizzazione di consumi e performance sia per veicoli elettrici sia per veicoli convenzionali, adottando diversi algoritmi. È stato completato un confronto tra i due tipi di veicolo, evidenziando i risultati dell’ottimizzazione e presentando un’analisi Well to Wheel per approfondire l’impatto del processo dalla produzione di combustibile al veicolo in strada su consumi ed emissioni.