Characterization and comparison of light-duty vehicle technologies by means of a lumped parameters modelling approach

The transport sector represents the 29% of global energy demand and in particular light-duty vehicles correspond to about half of this share. Moreover, relying mainly on fossil fuels, passenger cars are responsible of about 53% of global greenhouse gases emission from transport sector. It follows that electrification of light-duty vehicles’ sector has a key role in any strategy to reduce CO2 emissions. This direction has been chosen also by the European Union through the set of a decarbonising target in private transport. The aim of this work is to provide and employ a lumped parameters model for the simulation of tank-to-wheel consumptions for internal combustion engine vehicles (diesel and gasoline), battery electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles. The model is properly simplified that allows to reduce the necessary inputs but at the same time, accurately describes dynamics and components that characterize vehicle’s consumption. The model can be integrated with tools for the definition of mobility needs and models for energy planning. The modular structure includes the modelling of three main aspects: vehicle longitudinal dynamics, the powertrain efficiency and the HVAC system. Thermal comfort management systems are modelled with two alternative configurations in case of electric vehicles and their consumption is described as a function of ambient conditions. The model is validated through a comparison with the Downloadable Dynamometer Database generated at Argonne National Laboratory (ANL). The work is completed by outlining scenario of comparison on the basis of the considered vehicles’ market segment (sub-compact, compact and SUV) through an analysis of the impact of HVAC systems and number of passengers per vehicle.

Il settore dei trasporti rappresenta il 29% del consumo di energia globale e in particolare le automobili corrispondono a circa la metà di questa quota. Inoltre, essendo in gran parte dipendente dai combustibili fossili, le auto sono responsabili di circa il 53% delle emissioni globali di gas serra del settore dei trasporti. Ne consegue che l’elettrificazione del settore delle automobili ricopre un ruolo fondamentale in qualsiasi strategia di riduzione dell’emissioni dirette di CO2. Direzione intrapresa anche dall’Unione Europea con la sottoscrizione di nuovi target di riduzione di emissione del settore trasporto privato. L’obiettivo di questo lavoro consiste nello sviluppo ed utilizzo di un modello a parametri concentrati per la simulazione dei consumi serbatoio-ruota di sistemi di propulsione quali veicoli a combustione interna (diesel e benzina), elettrico e ibrido. Il modello presenta un livello di semplificazione tale da ridurre gli input necessari ma allo stesso tempo, descrive con accuratezza le dinamiche e i componenti tecnologici che caratterizzano il consumo dell’autoveicolo. Il modello si presta all’integrazione con strumenti di definizione di curve di mobilità e con modelli di pianificazione energetica. La struttura modulare comprende la modellazione di tre aspetti principali: la dinamica longitudinale del veicolo, l’efficienza del sistema di propulsione e il sistema di climatizzazione. I sistemi di mantenimento del comfort termico sono caratterizzati in due configurazioni alternative nel caso dei veicoli elettrici e ne viene descritto un consumo in funzione delle condizioni ambientali. Il modello è validato attraverso il confronto con i dati dinamometrici forniti dall’Argonne National Laboratory (ANL). Lo studio viene portato a termine delineando degli scenari comparativi in funzione del segmento di mercato dei veicoli considerati (sub-compact, compact e SUV) analizzando l’impatto dei sistemi di climatizzazione e il numero di passeggeri per veicolo.