Development and validation of a battery-electric truck simulation model

At a time when the dominance of internal combustion vehicles is showing a slight but irreversible weakening for the first time since its century-long establishment, this work is intended to contribute towards expanding knowledge within the sector which nowadays represents its natural successor: Battery-Electric Vehicles (BEVs). The road freight transport market is undergoing this shift. Major trucking companies in European Union (EU) must comply with binding and evolving regulations, which at the moment require a reduction in carbon dioxide (CO2) total fleet emissions of 15% by 2025 and of 30% by 2030 (on a 2019 complete market baseline). At the same time, they must preserve the economical profitability which enables them to survive in this competitive, cutting-edge market sector. Energy consumption (EC) is usually the deciding factor when it comes to electrified systems. This master thesis aims to analyse the EC of Scania’s first ever battery-electric truck released in the market. The energy split is evaluated along the complete BEV powertrain, analysing results coming from internal tests performed with the battery-electric truck. This test result analysis has then been used to provide an indication on the EC summer to winter variability (with a particular focus on rolling resistance and auxiliaries power consumption) and it acted as a baseline for the validation of a complete vehicle simulation model in GT-Suite. Furthermore, a new driver model for longitudinal dynamic has been developed, which is intended to replicate real-world driving behaviour to improve reliability in EC simulations. Results presented in this thesis show that now Scania can rely on an EC simulation tool which is able to reproduce real battery-electric truck performances within 5% accuracy . Summer to winter variation in EC can reach a 20% to 70% increase, depending on driving routes (highway, rural and distribution drive cycles have been analysed), resulting in a BEV range reduction of 15 to 40%. A particular interest has been given to rolling resistance, which shows (together with airdrag) the largest loss share in trucks EC. It can vary from 7% to 30% with tyre compound temperature variation from summer to winter. Finally, the improved driver model has allowed complete vehicle simulations to manage regenerative braking closer to reality.

In un momento dove la leadership dei veicoli a combustione interna mostra per la prima volta dalla loro centenaria affermazione un timido ma irreversibile indebolimento, questo lavoro ha la finalita di contribuire all’espansione della conoscenza di quel settore che ad oggi ne rappresenta il naturale successore: i veicoli a trazione elettrica. Il mercato del trasporto merci su strada sta attraversando questo cambiamento. Le maggiori imprese di autotrasporti nell'Unione Europea (UE) devono conformarsi a regolamenti stringenti e in costante evoluzione, che attualmente impongono una riduzione delle emissioni totali della flotta di biossido di carbonio (CO2) del 15% entro il 2025 e del 30% entro il 2030 (in riferimento alla baseline di mercato globale relativa al 2019). Allo stesso tempo sono tenuti a mantenere la redditività economica che permette loro di sopravvivere in questo settore di mercato competitivo e all'avanguardia. L'Energy Consumption (EC) è di norma il fattore decisivo in materia di sistemi elettrificati. Questa tesi di master intende analizzare l'EC del primo camion elettrico di Scania lanciato sul mercato. La ripartizione del consumo di energia viene analizzata lungo l'intero powertrain del BEV, studiando i risultati provenienti da alcuni test effettuati internamente con il camion a trazione elettrica. L'analisi dei risultati dei test è stata poi utilizzata per fornire un'indicazione sulla variabilità da estate ad inverno dell'E (con particolare attenzione alla resistenza al rotolamento e al consumo di energia dei sistemi ausiliari) ed ha funto da base per la validazione di un modello di simulazione del veicolo completo in GT-Suite. Inoltre, è stato sviluppato un nuovo driver model in grado di simulare la dinamica longitudinale del veicolo, che intende replicare il comportamento dell'autista nel mondo reale per incrementare l'affidabilità delle simulazioni in tema di EC. I risultati presentati in questa tesi dimostrano che ora Scania può contare su uno strumento di simulazione dell'EC che è in grado di riprodurre le prestazioni reali del camion elettrico con una precisione del 5%. La variabilità da estate a inverno dell'EC può toccare un aumento dal 20% al 70%, a seconda del drive cycle (sono stati analizzati cicli di guida autostradali, rurali e di distribuzione urbana), con una conseguente riduzione dell'autonomia del BEV dal 15 al 40%. Un interesse particolare è stato dedicato alla resistenza al rotolamento, la quale mostra ( unitamente all'airdrag) la quota di perdita maggiore per quanto riguarda l'EC di un camion. Il coefficiente di resistenza al rotolament (RRC) può variare dal 7% al 30% con la variazione della temperatura della mescola dei pneumatici passando dall'estate all'inverno. Infine, il driver model sviluppato ha permesso simulazioni a livello di veicolo completo più vicine alla realtà per quanto riguarda la gestione della frenata rigenerativa.