Powertrain optimization of hybrid and electric vehicles

Abstract

Uma demanda crescente por tecnologias sustentáveis e regulamentações governamentais mais rígidas motivam o desenvolvimento de tecnologias inovadoras para trens de força elétricos e híbridos, visando reduzir as emissões e o consumo de combustível. Os veículos elétricos híbridos (HEV, do inglês hybrid electric vehicle) apresentam um sistema de trem de força híbrido, que usa um único ou vários trens de engrenagens planetárias (PGT, do inglês planetary gear train) como dispositivo de divisão de potência. A maioria dos trabalhos sobre consumo de HEVs não aborda o efeito da eficiência mecânica dos PGTs no desempenho do trem de força. Porém, investigar a eficiência dos PGTs tem potencial para reduzir o uso de combustível e a emissão de poluentes. Esta tese introduz um novo método para calcular consumo e emissões de HEVs que integra a eficiência do motor à combustão interna, do motor elétrico e do gerador elétrico à variabilidade da eficiência da transmissão por PGTs, de acordo com a velocidade do veículo. A tese apresenta três estudos de caso: um robô de inspeção para linhas aéreas, representando um veículo elétrico; o Toyota Prius 1a geração; e um HEV semelhante ao Prius, mas com uma transmissão composta por engrenagens cônicas chamada de sistema híbrido baseado em diferencial (DHS, do inglês differential-based hybrid system). O consumo de energia do robô de inspeção é quantificado por meio do estado de carga das baterias, calculado para um perfil de velocidade que emula o robô se deslocando sobre um condutor. O impacto da eficiência do PGT que atua como redutor do motor de tração sobre o estado de carga das baterias é analisado, ao otimizar sua eficiência por meio de um algoritmo genético, alterando o módulo das engrenagens e o número de dentes. O consumo de combustível do Toyota Prius é estimado para o ciclo de condução japonês modos 10-15 e o consumo composto de combustível é estimado para os ciclos FTP75 e HWFET, considerando os mapas de eficiência das fontes de propulsão. Os resultados de consumo são comparados com os valores oficiais fornecidos pela Toyota: o consumo calculado pelo método da tese para o ciclo modos 10-15 apresentou uma diferença de 9,7% do valor oficial, enquanto o consumo composto de combustível difere apenas 1,7% do valor oficial. A variação mínima em relação aos valores oficiais comprova que o método da tese é robusto e tem potencial para prever consumo e emissões de forma confiável na fase de projeto de um novo HEV. Por fim, o último estudo de caso compreende a estimativa de consumo de combustível de um HEV equipado com o DHS. O HEV é semelhante ao Prius, mas com o DHS gerenciando a potência das fontes de propulsão. O consumo composto de combustível do HEV é calculado para os ciclos FTP75 e HWFET, resultando em um valor ligeiramente superior ao obtido para o Prius, pois a eficiência do DHS é menor que a eficiência do PGT do Prius original. O consumo composto de combustível do HEV equipado com o DHS é otimizado alterando as dimensões das engrenagens do DHS e a relação de transmissão do redutor que conecta o DHS ao gerador, levando a uma redução de 2,2% no consumo. As principais contribuições originais da tese são a inclusão da variabilidade da eficiência da transmissão e o cálculo simultâneo da eficiência das fontes de propulsão e da transmissão para determinar o consumo e as emissões de um HEV.

Abstract: A rising customer demand for sustainable technologies and ever-tightening government regulations motivate the development of innovative electric and hybrid powertrain technology to decrease harmful emissions and increase fuel economy. Hybrid electric vehicles (HEV) present a power-split hybrid powertrain system, which use a single or multiple planetary gear trains (PGT) as power-split device. Most of the works on HEV fuel economy do not address the effect of the PGTs mechanical efficiency on the powertrain performance. Nonetheless, investigating the PGTs efficiency is a potential approach to reduce fuel usage and pollutants. This Thesis presents a new method to determine consumption and emissions of HEVs which integrates the efficiency of the internal combustion engine, motor, generator with the variability of transmission efficiency by PGTs, according to vehicle speed. The Thesis presents three case studies: an inspection robot for overhead power lines, representing an electric vehicle; the Toyota Prius 1st Generation; and a HEV similar to Prius, but equipped with a power-split device composed of bevel gears called differential-based hybrid system (DHS). The inspection robot power consumption is quantified through the batteries state-of-charge (SOC), computed for a speed profile emulating the robot travelling on a conductor. The impact of the efficiency of the PGT reducer of the robot?s traction motor on the SOC is analyzed. The PGT efficiency is maximized through a genetic algorithm, by altering the gears module and number of teeth. The fuel economy of the Toyota Prius is estimated for the Japanese 10-15 mode cycle and its composite fuel economy is estimated for the FTP75 and HWFET cycles, considering the propulsion sources efficiency maps. The fuel economy results are compared to Toyota official values: the fuel economy calculated through the Thesis method for the 10-15 mode cycle presented a difference of 9.7% from the official value, while the composite fuel economy differs only 1.7% from the official value. The minimal variation from official fuel economy values proves that this Thesis method is robust and has potential to predict consumption and emissions in a reliable way on the design phase of a new HEV. Finally, the last case study comprises the fuel consumption estimation of an HEV equipped with the DHS. The HEV is similar to the Prius, but with the DHS managing the power of the propulsion sources. The composite fuel economy of the HEV is calculated for the FTP75 and HWFET cycles, resulting in a slightly higher value than the one obtained for the Prius, because the efficiency of the DHS is lower than the PGT efficiency of the original Prius. The composite fuel economy of the HEV equipped with the DHS is optimized by changing the gear dimensions of the DHS and the gear ratio of the reducer connecting the DHS to the generator, leading to a 2.2% reduction in consumption. The main original contributions of the Thesis are the inclusion of the variability of the transmission efficiency and the simultaneous calculation of the efficiency of the propulsion sources and the transmission efficiency to determine the consumption and emissions of a HEV.