Optimal energy management of series Hybrid Electric Vehicles

Vehicle electrification is a major trend in mobility. While many different technical solutions have been proposed in this framework, the series hybrid architecture is the basis of several promising solutions, for both passenger vehicles and light vehicles. This thesis deals with the energy management - i.e. the splitting of traction power between multiple sources - of series hybrid powertrains. In particular, the topic is investigated for a generic series hybrid electric vehicle, for an electric vehicle with plug-in range extender and for a bicycle with purely electrical transmission. The three case studies share the basic architecture, and thus a major part of the model, i.e. the description of the longitudinal dynamics, of the transmission, of the traction motor and of the battery pack. Instead, the model of the auxiliary power unit and the quantification of performance change from case to case. Two main approaches are proposed: for passenger vehicles, the energy management aims to the least costly operation, whereas for the bicycle the least exertion of the cyclist is sought. The least costly operation generally means that the vehicle is operated minimizing the costs of fuel and grid energy, as well as the depletion of battery value. In case the range extender is a plug-in component for hire, also the rental fee is considered. As for the bicycle, the exertion of the cyclist is quantified with an index of fatigue based on heart rate. A common work flow is followed in each case study: after formalizing the energy management problem as an optimal control problem, the optimal policy is first studied resorting to both numerical and analytic techniques. This step is also useful to assess the theoretical optimum when full knowledge of the future driving conditions is available. Based on optimal control principles, a causal control policy is then investigated, that mimics the optimal policy while coping with the uncertainty on future driving conditions.

L'elettrificazione dei veicoli è uno dei principali processi attualmente in corso nell'ambito della mobilità. Tra i diversi approcci tecnici che sono stati proposti, l'architettura ibrido serie è alla base di varie soluzioni promettenti, sia per veicoli passeggeri, sia per veicoli leggeri. Questa tesi è dedicata allo studio della gestione energetica - cioè la ripartizione della potenza di trazione tra diverse sorgenti - per architetture ibrido serie. In particolare, la tematica è approfondita per un generico veicolo ibrido serie, per un veicolo elettrico con range extender plug-in e per una bicicletta con trasmissione puramente elettrica. I tre casi di studio hanno in comune l'architettura di base, e quindi parti importanti del modello, cioè la descrizione della dinamica longitudinale, della trasmissione, del motore di trazione e del pacco batterie. Il modello del generatore ausiliario e la quantificazione delle prestazioni, invece, dipendono da caso a caso. Vengono proposti due approcci principali: per veicoli passeggeri, l'obiettivo gestione energetica è la minimizzazione del costo monetario, mentre per la bicicletta è la minimizzazione dell'affaticamento del ciclista. Con la minimizzazione del costo monetario si intende che il veicolo è gestito minimizzando i costi del carburante e dell'energia di rete, oltre alla perdita di valore della batteria. Nel caso il range extender sia un dispositivo a noleggio, ne viene anche considerata la tariffa. Per quanto riguarda la bicicletta, l'affaticamento del ciclista è quantificato con un indice basato sul battito cardiaco. In ciascun caso di studio viene seguito un percorso comune: una volta formalizzato il problema della gestione energetica come un problema di controllo ottimo, viene studiata la politica di controllo ottima, ricorrendo a tecniche sia numeriche, sia analitiche. Questo passaggio è anche utile per definire un ottimo teorico nel caso in cui le future condizioni di guida siano completamente note. Sfruttando alcuni principi del controllo ottimo, viene poi studiata una politica di controllo causale, che cerca di avvicinarsi alla politica ottima in presenza di incertezza sulle future condizioni di guida.