Optimal energy management control strategies for series hybrid powertrain with Diesel range extender

This thesis analyses the energy management problem of a special purpose series hybrid electric vehicle (SHEV) with diesel range extender which is to be used for railway track inspection. The primary objective of the problem is to minimize the fuel consumption for specified driving cycles which are very different from the ones specified for road vehicles. The work involves building a system level series hybrid powertrain model which is capable of portraying the behavior of various sub-systems with adequate accuracy while also having acceptable computational effort. The vehicle model is then used to design, implement and analyze two of the most conventional heuristic (rule-based) control strategies that have been in existence for decades, namely Thermostat Control Strategy (TCS) and Power Follower Control Strategy (PFCS). After an extensive literature review of various types of advanced control strategies that are in different phases of research and development, a relatively new heuristic control strategy, called the Exclusive Operation Strategy (XOS), has been chosen to be implemented. Its performance is compared with the conventional strategies. The XOS, whose operation principle is inspired by an optimization-based control strategy is found to be significantly more effective than the conventional TCS and PFCS when it comes to fuel efficiency. With simple implementation and straight forward rules, the XOS is found to be operationally superior to the conventional benchmarks.

Questa tesi analizza il problema di gestione energetica di un veicolo elettrico ibrido serie speciale (SHEV) con estensione diesel che deve essere utilizzato per l'ispezione dei binari ferroviari. L'obiettivo principale del problema è ridurre al minimo il consumo di carburante per cicli di guida specifici che sono molto diversi da quelli specificati per i veicoli stradali. Il lavoro prevede la costruzione di un modello di propulsore ibrido serie a livello di sistema in grado di rappresentare il comportamento di vari sottosistemi con un'accuratezza adeguata e allo stesso tempo uno sforzo computazionale accettabile. Il modello del veicolo viene quindi utilizzato per progettare, implementare e analizzare due delle strategie di controllo euristiche (basate su regole) più convenzionali che esistono da decenni, vale a dire la strategia di controllo del termostato (TCS) e la strategia di controllo del follower di potenza (PFCS). Dopo un'estesa revisione della letteratura di vari tipi di strategie di controllo avanzate che si trovano in diverse fasi di ricerca e sviluppo, è stata scelta una strategia di controllo euristico relativamente nuova, denominata Exclusive Operation Strategy (XOS). Le sue prestazioni sono confrontate con le strategie convenzionali. L'XOS, il cui principio di funzionamento è ispirato a una strategia di controllo basata sull'ottimizzazione, risulta significativamente più efficace rispetto al TCS e al PFCS convenzionali in termini di consumo di carburante. Con una semplice implementazione e regole dirette, l'XOS risulta essere operativamente superiore ai benchmark convenzionali.