An innovative method for the development of numerical models of hybrid vehicles

The need of an environment friendly mobility is nowadays one of the most relevant pull for the development of the automotive market. All cars and more in general vehicles manufactures are developing new vehicles with improved efficiency, reduced fuel consumption and pollutant emissions. The main reasons that actually lead to the need of a mobility panorama less dependent from the fossil fuels actually lay in the forecast of a future “oil depletion” and in an increasing attention to the emission of pollutant gasses from the tailpipe of every vehicle. Different technologies are actually available to reach the target of a more sustainable mobility: Battery Electric Vehicles, Fuel Cell Electric Vehicles and Hybrid Electric Vehicles. From the analysis of pros and cons of each technology, the Hybrid Electric Vehicles appear as the most feasible solution for the transition phase that should lead from the actual “oil dependent” state of the automotive field to a new condition in which the electricity will be used to power almost all the vehicles. In fact, beside the great number of available layouts of Hybrid Electric Vehicles that can lead to higher performances and/or efficiency, the social acceptance of this new technology has been proved to be the key point of its spread. The actual panorama of scientific research about hybrid technology shows how the most of the activities are actually focused on vehicles belonging to the class of small passenger cars to be used mainly in urban environments. From this consideration and from the observation of the lack of flexible numerical tools able to simulate the behavior of any kind of vehicle powered by any kind of powertrain, come the innovative features proposed by the present activity. A modular modeling approach as flexible as possible has been developed. The numerical model of every single component of the vehicle (from the driver model, to the gearbox, the battery, etc.) has been developed. In particular the structure chosen for every single model has been designed in order to assure the highest possible flexibility. Such flexibility has been highlighted assembling the numerical models of the single components and creating the numerical model of five complete vehicles belonging to four novel categories for which the hybrid technology still need to be further developed: Hybrid Electric Commercial Vehicle, Hybrid Electric Sport Car, Hybrid Series Scooters, Hybrid Parallel Scooters and Hybrid Electric Heavy-Duty Truck. For each single modeled vehicle the corresponding numerical model has been validated on the basis of available experimental data and specific operating strategies have been developed according to the operating mission of every vehicle. Considering the most relevant and common needs demonstrated by the hybrid vehicle manufacturers involved in any step of the present activity, a specific procedure to better investigate the benefits achievable with the usage of the hybrid powertrain and to find their optimal layout. The developed method firstly starts with a sensitivity analysis is conducted thanks to the application of the Latin Hypercube Sampling and the Spearman rank’s method to investigate every parameter’s sensitivity. Secondly the numerical models are optimized through the application of the Genetic algorithm exploiting the results of the previously performed sensitivity analysis. Finally the benefits provided by the optimized hybrid powertrain can be evaluated following the specific procedure proposed by actual international standards for the calculation of the vehicles fuel consumption. The achieved results will be directly comparable with any other similar quantity calculated according to the same standards.

La necessità di una mobilità ecosostenibile è attualmente una delle più rilevanti leve di sviluppo del settore automotive. Tutti i costruttori di auto e più in generale di veicoli stanno sviluppando nuovi modelli con migliore efficienza, minori consumi ed emissioni. Il motivo principale per cui oggi si sente il bisogno di una minore dipendenza del settore della mobilità dai combustibili fossili risiede nelle previsioni dell’esaurimento delle scorte naturali di tali combustibili e nella sempre maggiore attenzione posta all’emissione dei gas serra dagli scarichi dei veicoli. Diverse tecnologie sono al momento disponibili per tentare di raggiungere l’obiettivo di una mobilità più sostenibile: veicoli Elettrici a Batteria, veicoli a Fuel Cells e veicoli Ibridi Elettrici. Dall’analisi dei pro e dei contro di ognuna di queste tecnologie, i veicoli Ibridi Elettrici emergono come la soluzione attualmente più realizzabile per la fase di transizione necessaria per passare dall’attuale mobilità dipendente dai combustibili fossili ad una condizione in cui l’elettricità sarà usata per muovere la quasi totalità dei veicoli. Infatti, oltre al gran numero di possibili configurazioni di veicoli Ibridi Elettici caratterizzate da migliori prestazioni e/o efficienza, l’accettazione sociale di tale classe di veicoli si è dimostrata essere la chiave della loro diffusione. L’attuale panorama della ricerca scientifica sulla tecnologia ibrida mostra come la maggior parte degli sforzi siano indirizzati alla categoria dei veicoli urbani per il trasporto di persone. Partendo da tali considerazioni e dall’osservazione della mancanza di uno strumento numerico abbastanza flessibile da permettere di simulare il comportamento di diversi veicoli con qualsiasi tipo di trasmissione, si è giunti alla proposta della presente attività. Si propone infatti un approccio di modellazione modulare caratterizzato dalla più alta flessibilità possibile. Sono infatti stati sviluppati i modelli numerici di ogni singolo componente del veicolo (dal modello del guidatore, al cambio, la batteria, ecc.) con una struttura tale da assicurare un’elevata flessibilità. Tale aspetto è stato evidenziato assemblando i modelli di tutti i componenti necessari per creare i modelli numerici completi di cinque diversi veicoli appartenenti ad altrettante diverse categorie di veicoli per cui la tecnologia ibrida necessita ancora di sviluppi: un veicolo commerciale ibrido elettrico, una vettura sportiva ibrida elettrica, uno scooter ibrido serie ed uno ibrido parallelo ed infine un veicolo da cantiere ibrido elettrico. Ogni modello è stato validato grazie alla disponibilità di dati sperimentali e per ognuno di essi si sono sviluppate delle strategie di funzionamento adatte alle missioni d’esercizio tipiche di ogni categoria. Considerando i più rilevanti bisogni manifestati dai costruttori di veicoli ibridi, è stata sviluppata una procedura per indagare i benefici che la tecnologia ibrida è in grado di apportare ad ogni veicolo e per individuare la configurazione del sistema che fornisce i migliori risultati. La procedura parte da un’analisi di sensitività dei parametri del modello condotta tramite l’applicazione degli algoritmi “Latin Hypercube Sampling” e “Spearman rank’s”. Successivamente i modelli numerici sono stati ottimizzati tramite l’applicazione di un “Algoritmo Genetico” sfruttando le informazioni dedotte dalla precedente analisi di sensitività. Infine i benefici prodotti dai modelli ottimizzati sono stati valutati in accordo con le specifiche procedure proposte dalle normative internazionali vigenti in termini di misurazione dei consumi di combustibile. In tal modo i risultati ottenuti sono direttamente confrontabili con qualsiasi altro dato calcolato secondo le medesime normative.