STUDY OF STRATEGIES FOR AN OPTIMAL ENERGY MANAGEMENT ON ELECTRIC AND HYBRID VEHICLES

This PhD thesis is focused on identifying energy management strategies on board electric and hybrid vehicles, to optimize energy management and thus allow for resource savings. In fact, vehicle’s operational phase optimisation through a more efficient energy management allows main components downsizing, such as battery pack. First of all, a simulation tool called TEST (Target-speed EV Simulation Tool), is presented. This tool allows to carry out longitudinal dynamics simulations on pure electric or hybrid-electric vehicles, and therefore monitoring all the relevant data needed to carry out a proper powertrain sizing, including the electric motor(s) and the battery pack. Furthermore, several powertrain layouts can be also tested, including those using fuel cells. Then a regenerative braking strategy, suitable for FWD, RWD and AWD vehicles, is presented. Its main target is to recover the maximum possible braking energy, while keeping the vehicle stable with good braking performance. The strategy has been tested both through a state-of-art vehicle dynamics simulation software (VI-CarRealTime) and through driver-in-the-loop simulations using a driving simulator. Furthermore, the proposed strategy has been integrated into TEST to evaluate its influence on vehicle range and consumptions. The above-mentioned tools have been used to evaluate a real-world case scenario to assess the feasibility of using a methane fuel cell powered fleet to carry out door to door waste collection activities. Results show high feasibility in terms of vehicle range compared to standard waste collection missions, provided that components are properly sized. Components sizing has been done through iterations using different components on the same missions. Finally, an in-depth analysis of the LCA (Life Cycle Assessment) studies related to electric vehicles has been reported, with particular focus to the battery pack, highlighting some environmental critical issues. This LCA study therefore emphasizes the importance of a correct energy management to minimize the environmental impact associated with energy consumption.

Questa tesi di dottorato è focalizzata sull’identificazione di strategie di gestione dell’energia a bordo di veicoli elettrici e ibridi, con l’obiettivo di ottimizzare la gestione dell’energia e, quindi, consentire un risparmio di risorse. Infatti, l’ottimizzazione della fase d’uso del veicolo, attraverso una più efficiente gestione dell’energia, consente di dimensionare in modo ridotto i principali componenti, come il pacco batterie. Innanzitutto, viene presentato un tool di simulazione denominato TEST (Target-speed EV Simulation Tool). Questo strumento consente di effettuare simulazioni di dinamica longitudinale per veicoli completamente elettrici o ibridi e, quindi, di monitorare tutti i dati rilevanti necessari per effettuare un corretto dimensionamento del gruppo propulsore, inclusi il/i motore/i elettrico/i ed il pacco batterie. Inoltre, è possibile testare anche diversi layout di propulsori, compresi quelli che utilizzano celle a combustibile, le cosiddette “fuel cell”. Viene poi presentata una strategia di frenata rigenerativa, adatta per veicoli FWD, RWD e AWD. L’obiettivo principale è quello di recuperare la massima energia frenante possibile, mantenendo il veicolo stabile, con buone prestazioni in frenata. La strategia è stata testata sia attraverso un consolidato software di simulazione della dinamica del veicolo (VI-CarRealTime), sia attraverso simulazioni “driver-in-the-loop” utilizzando un simulatore di guida. Inoltre, la strategia proposta è stata integrata nel tool TEST per valutarne l’influenza sull’autonomia e sui consumi del veicolo. Gli strumenti sopra menzionati sono stati utilizzati per studiare uno scenario di casi reali, per valutare la fattibilità dell’utilizzo di una flotta alimentata a fuel cell a metano per svolgere attività di raccolta rifiuti porta a porta. I risultati mostrano un’elevata fattibilità in termini di autonomia del veicolo rispetto alle missioni standard di raccolta dei rifiuti, a condizione che i componenti siano adeguatamente dimensionati. Il dimensionamento dei componenti è stato effettuato attraverso iterazioni, utilizzando diversi componenti nelle stesse missioni. Infine, è stata riportata un’analisi approfondita degli studi LCA (Life Cycle Assessment) relativi ai veicoli elettrici, con particolare attenzione al pacco batterie, evidenziando alcune criticità ambientali. Questo studio sull’LCA sottolinea quindi l’importanza di una corretta gestione dell’energia per ridurre al minimo l’impatto ambientale associato al consumo stesso di energia.