Design and analysis of energy management strategies for non-standard hybrid electric powertrain architectures

Environmental awareness is one of the most important factors at the basis of the current electrification trend in the automotive field. Hybrid electric vehicles are playing an important role in this transition because they are able to merge the advantages of complementary powertrain solutions. There exist different levels of electrified hybridization. For example, electric power can be used by electric motors inside turbocharged engines or by electric motors mechanically coupled with engines to deliver power for the vehicle traction. Finally, there exist hybrid electric energy storages, which merge Li-ion cells technologies with complementary features. The multiple energy flows in hybrid electric powertrains can be controlled by energy management strategies aiming at reducing consumption, improving the efficiency and also reducing the environmental impact of the vehicle. In this thesis, energy management strategies for non-standard hybrid powertrain architectures are developed. In particular, we focus on a hybrid electric tractor, a human-powered series-parallel electric bicycle, and an electric racing car equipped with a hybrid energy storage. With respect to traditional hybrid vehicles, these use cases introduce new challenges to deal with, motivating the necessity of non-standard solutions. Starting from the hybrid tractor, we discuss the design of an energy management strategy, focusing on the fulfillment of some unique requirements, induced by the presence of the built-in speed controller in agricultural engines. In such a scenario, two standard techniques, as model predictive control and the equivalent consumption minimization strategy, have been extended to deal with agricultural speed-controlled engines. The effectiveness of the proposed solutions is shown, in terms of fuel saving and speed tracking, both through simulations and experimental tests. The same techniques are also applied for the control of the human-powered series-parallel electric bike. When humans are present in the control loop, a comfortable interaction between the vehicle and the rider becomes as important as the energy optimization. Therefore, the proposed energy management strategy, based on the virtual-chain control law, is integrated with the cyclist’s comfort. Then, it is extended to impose a dynamical behavior, so we defined a virtual-bike framework. The overall control architecture is validated with experimental results, with the rider present on the bike. Finally, hybrid energy storages are analyzed, in order to understand their potential benefits in full-electric racing cars. Toward this goal, a co-design optimization problem is proposed to optimally size and use a hybrid battery pack during a race. The outcome of the optimization showed the improvements given by hybrid battery packs in the race time minimization, considering as scenario the next generation of Formula E vehicles.

L’attenzione verso l’ambiente è uno dei principali fattori alla base dell’attuale processo di elettrificazione nei veicoli. I veicoli elettrici ibridi hanno un ruolo importante in questa transizione, poiché sono in grado di unire i vantaggi di fonti energetiche complementari. Esistono diversi livelli di ibridizzazione elettrica. Per esempio, l’energia elettrica può essere usata da motori elettrici montati all’interno di motori a combustione turbocompressi oppure da motori elettrici accoppiati direttamente ad uno a combustione per fornire trazione al veicolo. Infine, esistono anche versioni ibride di sistemi di stoccaggio dell’energia elettrica a bordo del veicolo, contenendo al loro interno diverse tecnologie di celle a ioni di Litio con proprietà complementari. I diversi flussi di potenza presenti nei powetrain ibridi vengono regolati attraverso una strategia di gestione energetica con lo scopo di migliorare l’efficienza complessiva e ridurre l’impatto ambientale del veicolo. In questa tesi, sono sviluppate diverse strategie di gestione energetica per veicoli ibridi non-standard, in particolare, un trattore ibrido parallelo, una bicicletta elettrica ibrido serie-parallelo e un’auto da corsa elettrica dotata di batteria ibrida. Rispetto ai veicoli ibridi tradizionali, questi specifici casi di studio introducono nuove sfide da affrontare, motivando la necessità di adottare soluzioni non-standard. Partendo dal trattore ibrido, è stata proposta una strategia di gestione energetica focalizzata sul soddisfacimento di specifici requisiti, indotti dalla presenza di un controllore di velocità integrato nel motore a combustione. In questo contesto, due tecniche classiche, quali il model predictive control e l’equivalent consumption minimization strategy, sono state opportunamente estese per interagire con il controllore di velocità tipico dei motori a combustione agricoli. L’efficacia delle soluzioni proposte è stata valutata in simulazione e sperimentalmente, sia in termini di risparmio di carburante sia per quanto riguarda l’errore rispetto alla velocità di riferimento. Le stesse tecniche sono state anche applicate per il controllo di una bici assistita serie-parallelo. Essendo il ciclista presente all’interno dell’anello di controllo, una confortevole interazione tra il veicolo e il ciclista stesso diventa importante tanto quanto l’ottimizzazione energetica. Per questo, la strategia di gestione energetica proposta, basata sul controllo a catena virtuale, si integra con il comfort del ciclista. Successivamente, viene poi modificata in modo tale da garantire le prestazioni dinamiche desiderate, sviluppando così il concetto di bici virtuale. L’architettura completa di controllo viene validata attraverso test sperimentali, con il ciclista presente sulla bici. Per ultimo, sono state analizzate le potenzialità di pacchi batteria ibridi, al fine di capire se possono portare benefici se sviluppati per auto da corsa elettriche. A questo scopo, i parametri di ottimizzazione e i parametri rappresentativi dell’utilizzo della batteria durante la gara sono stati ottimizzati in un unico problema di ottimizzazione integrato. In questo modo è stato possibile valutare i miglioramenti che si possono ottenere con pacchi batteria ibridi per ridurre il tempo gara, considerando come caso di studio la futura generazione di auto da Formula E.