Master's Thesis

Comparison of Hybrid Powertrain Topologies in Daily Commuting Regime

Final Thesis 14.64 MB

Author of thesis: Ing. Michal Ušiak

Acad. year: 2019/2020

Supervisor: Ing. Adam Vondrák, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D.

Abstract:

The master’s thesis deals with modelling of various architectures of hybrid powertrains for three vehicle sizes in GT-SUITE and compares them in daily commuting operating mode. On top of making of the hybrid vehicle simulation models, control algorithms had to be created to manage the energy split between the internal combustion engine and the electric motor for each of the architectures. Routes to work and back were logged using the GPS and postprocessed to obtain the speed and the road grade profiles. Resulting data was used as an input in simulations of daily commuting. To compare all hybrid powertrain architectures, fuel economy and electricity consumption were evaluated for WLTP and daily commuting operating modes. Finally, the environmental impact of each topology was assessed based on an estimation of corresponding well-to-wheel emissions.

Keywords:

Hybrid powertrain, hybrid vehicle, internal combustion engine, longitudal vehycle dynamics, GPS, control algorithm, electric motor, P0 hybrid, P2 hybrid, series hybrid, well-to-wheel emissions, GT-SUITE

Date of defence

20.07.2020

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi se svou diplomovou prací. V rámci obhajoby rovněž odpovídal na otázky oponenta, na něž navazovaly otázky zkušební komise. 1) Ze závěru práce vychází, že Plug-in hybridy jsou nejlepším řešením pro dosažení nejnižší spotřeby (emisí). V skutečnosti ovšem uživatelé ho spíše provozují jako Full hybrid, protože připojování na nabíječku považují jako nepohodlnou činnost. Máte nějaký nápad, jak uživatele Plug-in hybridů nutit k nabíjení z elektrické sítě. Zodpovězeno. 2) Víte jaký typ hybridů je dle české legislativy považován za elektromobil a může např. zdarma parkovat v modrých zónách a může mít SPZ začínající písmeny EL? Zodpovězeno. 3) Dalo, by se do optimalizačních algoritmů a pak i do řídícího algoritmu vozidla zahrnout informace, kam chci s vozidlem dojet. Tedy zvolit optimální trasu z hlediska hybridního pohonu včetně nabíjení a vybíjení baterie a aktuální dopravní situace a potřeby topit/klimatizovat, tak abych dosáhl nejnižší spotřeby? Zodpovězeno. 4) Jaký vliv na výsledky má volba profilu trasy? Zodpovězeno. 5) Jaký profil trati by pro dojíždění byl nejlepší z hlediska spotřeby paliva? Zodpovězeno. 6) Lze rekuperovat energii i u vozu s klasickou pohonnou jednotkou se spalovacím motorem? Zodpovězeno. 7) Jaká je dosažitelná přesnost měření nadmořské výšky u zvolené metody? Zodpovězeno. 8) Jaký vliv by mohlo mít časové období zvolené pro konání experimentu? Zodpovězeno. 9) Jaký je odhadovaný čas simulace pro případné parametrické studie v rámci vytvořené metodiky? Zodpovězeno. 10) Jaké optimalisační nástroje a možnosti dynamického programování nabízí v posledních versích platforma GT-Suite? Zodpovězeno.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Automotive Engineering

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Automotive and Material Handling Engineering (M-ADI)

Composition of Committee

prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Lubomír Klimeš, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Tomáš Heger (člen)
Ing. Marek Bačovský (člen)
Ing. Jan Klimeš (člen)

Supervisor’s report
Ing. Adam Vondrák, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Michala Ušiaka se zabývá aktuálním, širokým a komplexním tématem hybridních pohonů vozidel, jejich řízením a simulací s využitím soudobých výpočetních nástrojů. Student při řešení zadaného tématu vycházel z podkladů poskytnutých jako součást programu GT-SUITE jeho výrobcem Gamma Technologies, LLC. Velkou měrou se ale věnoval také studiu odborné literatury a internetových zdrojů.
Rešerše dostupných pramenů přehledně shrnuje poznatky v dané oblasti, které jsou následně uplatněny v praktické části práce. Vysoce hodnotné jsou také přiložené vývojové diagramy popisující aplikovanou řídicí logiku. Nad rámec zadání byly v programu MATLAB vytvořeny algoritmy pro vygenerování křivky optimálního zatížení v úplné charakteristice spalovacího motoru a pro filtraci záznamu z GPS. Takto zpracovaná data byla následně využita při simulacích v programu GT-SUITE.
Po grafické stránce je práce přehledná, obrazová dokumentace je čitelná a dobře ilustrativní. Drobnou výtkou může být slohový styl, kterému se nevyhnou dlouhá souvětí, opakující se slova nebo místy chybějící čárky mezi větami.
Předkládané výsledky výpočetní studie a z nich vyvozené závěry jsou validní, přestože sám autor konstatuje, že některé počáteční předpoklady se ukázaly jako nevýhodné. Jedná se zejména o volbu velikostí a výkonů spalovacích a elektrických motorů v jednotlivých typech vozidel. Například u sériových hybridů by bylo možné dosáhnout vyšší úspory paliva při použití méně výkonného spalovacího motoru. Cílem práce však bylo především vytvořit metodiku pro simulaci jednotlivých typů vozidel a tento byl splněn v plném rozsahu. Získané poznatky mohou být využity a dále rozšířeny v průmyslové praxi i akademické sféře. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D.

Cílem práce je vytvoření modelů v prostředí GT-Suite simulující osobní vozidla s různou koncepcí hybridního pohonu. Text diplomové práce má 129 stran textu včetně přílohy.
Grafická úprava splňuje požadavky na technický text. Práce obsahuje všechny povinné části a je správně členěna do kapitol a podkapitol. Student využil pro práci doporučenou literaturu, ale využil i řadu dalších zdrojů, které dohledal a všechny zdroje jsou správně citovány.
Práce obsahuje poměrně dlouhou rešeršní část (34 stran, která slouží jako dobrý úvod do problematiky a studentovi pomohla v orientaci v problematice. Další části se věnují vytvoření modelů v prostředí GT-Suite. Přínosné je, že student vytvořil modely vice typů spalovacích motorů jak co do velikosti tak i řízení přeplňování a výměny náplně (Wastegate, VNT, Millerův cyklus). Dále byl vytvořen modely automatické převodovky, chování baterií a následně motor/generátoru. Další část práce se věnuje problematice řízení a modelování celého pohonu vozidel v jeho různých konfiguracích. Pro výsledné simulace byl získán reálný záznam jízdy do práce zaznamenaný pomocí GPS v mobilním telefonu a následně zpracován v prostředí MATLAB. V další práce již jsou souhrnně uvedeny výsledky simulací a jejich zhodnocení.
Z formálních nedostatků bych vytkl používání v textu Obr. tedy s velkým písmenem na začátku u běžného slova. Značení veličin v rovnicích, by bylo vhodnější přizpůsobit zvyklostem v české literatuře/normách (rychlost, hmotnost). Bylo by přínosem, kdyby vytvořené modely v GT-Suite tvořily přílohu práce, aby bylo možno ověřit jejich funkčnost.

Je třeba zdůraznit, že práce je nadstandardní svým rozsahem, ale i rozsahem zpracovaných a vyhodnocených simulací. Diplomant prokázal schopnost inženýrské činnosti, splnil podmínky zadání s minimálním úsilím, doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Ze závěru práce vychází, že Plug-in hybridy jsou nejlepším řešením pro dosažení nejnižší spotřeby (emisí). V skutečnosti ovšem uživatelé ho spíše provozují jako Full hybrid, protože připojování na nabíječku považují jako nepohodlnou činnost. Máte nějaký nápad, jak uživatele Plug-in hybridů nutit k nabíjení z elektrické sítě.
  2. Víte jaký typ hybridů je dle české legislativy považován za elektromobil a může např. zdarma parkovat v modrých zónách a může mít SPZ začínající písmeny EL?
  3. Dalo, by se do optimalizačních algoritmů a pak i do řídícího algoritmu vozidla zahrnout informace, kam chci s vozidlem dojet. Tedy zvolit optimální trasu z hlediska hybridního pohonu včetně nabíjení a vybíjení baterie a aktuální dopravní situace a potřeby topit/klimatizovat, tak abych dosáhl nejnižší spotřeby?
Display more

Grade proposed by reviewer: A