Transportation consumes one quarter of world’s energy use resulting in one of the most energy intensive sectors in the global economy. Furthermore, the reliance of this segment on fossil fuels makes it account for 37% of the global CO2 direct emissions coming from the end-use sector. Buses are responsible for 6% of greenhouse gases emissions in the European Union and cleaner solutions in the public transport sector might help curbing the above-mentioned emissions. In this context, many European cities have switched to completely electric buses fleets following transports’ decarbonization’s direction. This choice raises the need for a precise assessment of buses’ energy request to better include them in the cities’ energy systems and strategies. The simulation tools for e-buses consumption available in literature lack of detailed definitions of the additional units characterizing their operations. The purpose of this thesis is to extend to electric buses an existing Lumped Parameters’ Model (LPM) designed for the estimation of car consumption. The proposed model is enriched with the components buses are equipped with and powertrain, air conditioning unit, battery thermal management system and auxiliaries are the four different blocks composing the model. Among the aspects that the model takes as an input there are the bus dimensions and its components’ specifications, the external temperature and the desired comfort one, the geographical and temporal collocation and the driving conditions. The outcome consists in the energy consumption of the analysed bus specific to the travelled route. Validation is performed comparing the output of the tool with the results of another model and percentage error found is lower than 10% for all the tested driving cycles. In the end, the validated model is utilized to simulate an impact analysis on different scenarios changing the input parameters, which results are partially reported here. The total consumption at -10 °C is two times higher than the mild temperature one. Increasing passengers’ occupancy at 40 °C reflects in the highest worsening in the consumption compared to mild and cold temperature scenarios. The driving cycles’ aggressiveness has a clear correlation with both traction and auxiliaries consumption. Seasonal effects on radiation thermal load as well as the impact of coordinates on the total consumption are negligible.

Il trasporto consuma un quarto dell’energia mondiale risultando uno dei settori più energivori dell’economia globale. Inoltre, l’affidamento di questo settore nei combustibili fossili fa sì che renda conto del 37% delle emissioni dirette globali provenienti dall’end-use. Gli autobus sono responsabili del 6% delle emissioni di gas serra nell’Unione Europea e delle soluzioni più pulite nel settore dei trasporti potrebbero aiutare a limitare le sopramenzionate emissioni. In questo senso, molte città europee hanno cambiato le loro flotte di autobus in completamente elettriche seguendo la direzione della decarbonizzazione dei trasporti. Questa scelta solleva la necessità di una precisa definizione della richiesta energetica degli autobus per includerli meglio nei sistemi energetici e nelle strategie delle città. Gli strumenti per la simulazione del consumo degli e-bus disponibili in letteratura mancano di definizioni dettagliate riguardo le unità addizionali che caratterizzano le loro operazioni. Lo scopo di questa tesi è di estendere ai bus elettrici un modello a parametri concentrati (LPM) esistente e progettato per la stima del consumo delle auto. Il modello proposto è arricchito con i componenti con cui i bus sono equipaggiati e la catena cinematica, l’aria condizionata, il sistema di gestione termica della batteria e gli ausiliari sono i quattro blocchi che compongono il modello. Tra gli aspetti che il modello prende in input ci sono le dimensioni del bus e le specifiche dei suoi componenti, la temperatura esterna e quella desiderata di comfort, la collocazione geografica e temporale e le condizioni di guida. L’output consiste nel consumo energetico del bus analizzato, specifico alla strada percorsa. La validazione è svolta comparando l’output dello strumento con i risultati di un altro modello e la percentuale di errore è minore del 10% per tutti i cicli di guida testati. Alla fine, il modello validato viene utilizzato per simulare un’analisi di impatto su diversi scenari cambiando i parametri in ingresso, i cui risultati sono di seguito parzialmente elencati. Il consumo totale a -10 °C è due volte più alto rispetto al caso a temperatura mite. Aumentare il numero dei passeggeri a 40 °C si riflette nel più alto peggioramento nel consumo rispetto ai casi a temperature miti e fredde. L’aggressività dei cicli di guida ha una chiara correlazione sia con il consumo della trazione che degli ausiliari. Gli effetti stagionali sul carico termico di radiazione, così come l’impatto delle coordinate sul consumo totale sono trascurabili.

Characterisation of battery electric buses by means of a lumped parameters modelling approach

Di Mauro, Simone
2021/2022

Abstract

Transportation consumes one quarter of world’s energy use resulting in one of the most energy intensive sectors in the global economy. Furthermore, the reliance of this segment on fossil fuels makes it account for 37% of the global CO2 direct emissions coming from the end-use sector. Buses are responsible for 6% of greenhouse gases emissions in the European Union and cleaner solutions in the public transport sector might help curbing the above-mentioned emissions. In this context, many European cities have switched to completely electric buses fleets following transports’ decarbonization’s direction. This choice raises the need for a precise assessment of buses’ energy request to better include them in the cities’ energy systems and strategies. The simulation tools for e-buses consumption available in literature lack of detailed definitions of the additional units characterizing their operations. The purpose of this thesis is to extend to electric buses an existing Lumped Parameters’ Model (LPM) designed for the estimation of car consumption. The proposed model is enriched with the components buses are equipped with and powertrain, air conditioning unit, battery thermal management system and auxiliaries are the four different blocks composing the model. Among the aspects that the model takes as an input there are the bus dimensions and its components’ specifications, the external temperature and the desired comfort one, the geographical and temporal collocation and the driving conditions. The outcome consists in the energy consumption of the analysed bus specific to the travelled route. Validation is performed comparing the output of the tool with the results of another model and percentage error found is lower than 10% for all the tested driving cycles. In the end, the validated model is utilized to simulate an impact analysis on different scenarios changing the input parameters, which results are partially reported here. The total consumption at -10 °C is two times higher than the mild temperature one. Increasing passengers’ occupancy at 40 °C reflects in the highest worsening in the consumption compared to mild and cold temperature scenarios. The driving cycles’ aggressiveness has a clear correlation with both traction and auxiliaries consumption. Seasonal effects on radiation thermal load as well as the impact of coordinates on the total consumption are negligible.
SANVITO, FRANCESCO DAVIDE
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2022
2021/2022
Il trasporto consuma un quarto dell’energia mondiale risultando uno dei settori più energivori dell’economia globale. Inoltre, l’affidamento di questo settore nei combustibili fossili fa sì che renda conto del 37% delle emissioni dirette globali provenienti dall’end-use. Gli autobus sono responsabili del 6% delle emissioni di gas serra nell’Unione Europea e delle soluzioni più pulite nel settore dei trasporti potrebbero aiutare a limitare le sopramenzionate emissioni. In questo senso, molte città europee hanno cambiato le loro flotte di autobus in completamente elettriche seguendo la direzione della decarbonizzazione dei trasporti. Questa scelta solleva la necessità di una precisa definizione della richiesta energetica degli autobus per includerli meglio nei sistemi energetici e nelle strategie delle città. Gli strumenti per la simulazione del consumo degli e-bus disponibili in letteratura mancano di definizioni dettagliate riguardo le unità addizionali che caratterizzano le loro operazioni. Lo scopo di questa tesi è di estendere ai bus elettrici un modello a parametri concentrati (LPM) esistente e progettato per la stima del consumo delle auto. Il modello proposto è arricchito con i componenti con cui i bus sono equipaggiati e la catena cinematica, l’aria condizionata, il sistema di gestione termica della batteria e gli ausiliari sono i quattro blocchi che compongono il modello. Tra gli aspetti che il modello prende in input ci sono le dimensioni del bus e le specifiche dei suoi componenti, la temperatura esterna e quella desiderata di comfort, la collocazione geografica e temporale e le condizioni di guida. L’output consiste nel consumo energetico del bus analizzato, specifico alla strada percorsa. La validazione è svolta comparando l’output dello strumento con i risultati di un altro modello e la percentuale di errore è minore del 10% per tutti i cicli di guida testati. Alla fine, il modello validato viene utilizzato per simulare un’analisi di impatto su diversi scenari cambiando i parametri in ingresso, i cui risultati sono di seguito parzialmente elencati. Il consumo totale a -10 °C è due volte più alto rispetto al caso a temperatura mite. Aumentare il numero dei passeggeri a 40 °C si riflette nel più alto peggioramento nel consumo rispetto ai casi a temperature miti e fredde. L’aggressività dei cicli di guida ha una chiara correlazione sia con il consumo della trazione che degli ausiliari. Gli effetti stagionali sul carico termico di radiazione, così come l’impatto delle coordinate sul consumo totale sono trascurabili.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/189741