Energy management for a parallel hybrid tractor using an efficiency-based approach

Hybrid vehicles are considered as a promising solution to preserve the advantages of the traditional vehicles equipped with only a combustion engine, but with the capability to improve efficiency, reduce fuel consumption and pollutant emissions. In recent years, the hybridization process has been studied also for heavy vehicles and agricultural machinery. The purpose of this thesis is the development of an energy management strategy for a parallel hybrid tractor. The proposed solution is based on a method known as Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS), modified to deal with the native engine speed controller. Indeed, a speed controller is peculiar in tractors, designed to track the reference speed given by the user, which therefore does not command a torque reference with the accelerator pedal, as in the case of light vehicles. Therefore, the control logic, which aims at increasing the efficiency of the vehicle, has been also adapted to be implemented with the native speed controller and then, it has been entirely validated with experimental tests on track. The results obtained from the tests confirm the capability of the optimization strategy to interact with the native speed controller, both in terms of speed tracking performance and possibility to guarantee the charge-sustaining of the battery. Moreover, on some transport profiles it is possible to have a fuel saving of 14% with respect to the traditional tractor, only equipped with the thermal engine. Finally, the preliminary analyses carried out in simulation show that the activation of the full-electric mode can further reduce the fuel consumption of the vehicle.

I veicoli ibridi sono considerati una soluzione promettente per conservare i vantaggi dei veicoli tradizionali equipaggiati di solo motore termico, ma con la capacità di migliorarne l'efficienza, ridurne i consumi e le emissioni inquinanti. Negli ultimi anni si sta studiando la possibilità di rendere ibridi anche i mezzi pesanti e le macchine agricole. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di una strategia di energy management per un trattore ibrido parallelo. La soluzione proposta si basa su un metodo noto come Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS), adattato per operare con la presenza odel regolatore di velocità del motore termico. Infatti, nei trattori il regolatore di velocità è un elemento peculiare preposto all'inseguimento del riferimento di velocità imposto dall'utente, il quale non comanda quindi un riferimento di coppia con il pedale dell'acceleratore come avviene nei veicoli leggeri. Pertanto la logica di controllo, la quale ha l'obiettivo di aumentare l'efficienza del veicolo, è stata adattata per essere implementata con la presenza del controllore in giri e in seguito è stata interamente validata con test sperimentali in pista. I risultati ottenuti dai test confermano una buona interazione della strategia di ottimizzazione con il controllore nativo del trattore, sia come performance di speed tracking sia come possibilità di garantire il charge-sustaining della batteria. Inoltre, su alcuni profili di trasporto si è potuto risparmiare il 14% di carburante rispetto al trattore tradizionale equipaggiato con il solo motore termico. Infine, le analisi preliminari effettuate in simulazione dimostrano che l'attivazione della modalità full-electric può ridurre ulteriormente i consumi di carburante del veicolo.