Improving the Energy Efficiency and Operating Performance of Heavy Vehicles by Powertrain Electrification

Abstract

In this thesis, the potential of hybrid and electric powertrains to improve the energy efficiency and operating performance of heavy vehicles and heavy machinery have been evaluated with scientific research methods. The evaluation was carried out by using representative case applications among on-road heavy vehicles and heavy machinery. These applications are a city bus, an underground mining loader and a heavy vehicle combination. The key objective of this thesis was to analyze the impact of powertrain electrification on the energy efficiency and operating performance. For city buses and underground mining loader, cost effectiveness was also analyzed. The role of the different electrical energy storages in powertrain electrification was evaluated throughout the different phases of this research for each vehicle application. Many aspects need to be taken into consideration when introducing electric powertrains for heavy vehicles and machinery. Important aspects are the operating environment, strategy and schedule. In this context, this thesis introduces several methods to evaluate these different aspects in terms of energy efficiency and operating performance. These methods are based on vehicle simulation, which was the main research method. Vehicle simulation is a very powerful tool to develop and evaluate different vehicle powertrain technologies. During the research, different vehicle simulation software were used the main tool being the MATLAB/Simulink. The various simulation results clearly showed that the energy efficiency of the heavy vehicles can be significantly improved by powertrain electrification. It is being underlined that the improvement depends on the powertrain topology, operating cycle, and also energy storage system configuration. According to the cost calculations results, the hybrid and electric city buses have, in most situations, higher life cycle costs than the diesel buses whereas a hybrid underground loader has already potential to be economically more profitable than a diesel loader. The various performance analyses of the energy storages in different heavy vehicle applications showed that the current lithium-ion battery technology provides good performance in terms of power and energy capacity. However, the battery costs and durability are still importance challenges in order to improve the cost effectiveness of heavy vehicles.

Tässä väitöskirjassa arvioidaan tieteellisillä tutkimusmenetelmillä hybridi- ja sähköisen voimansiirron potentiaalia parantaa raskaiden ajoneuvojen ja työkoneiden energiatehokkuutta ja suorituskykyä. Arviointi suoritettiin keskittymällä kahteen tyypilliseen raskaaseen ajoneuvoon ja yhteen työkoneeseen. Nämä kyseiset ajoneuvot ovat kaupunkilinja-auto ja raskas ajoneuvoyhdistelmä ja työkoneena on kaivoslastaaja. Tämän tutkimuksen keskeisenä tavoitteena oli selvittää voimansiirron sähköistämisen vaikutus raskaiden ajoneuvojen ja työkoneiden energiatehokkuuteen ja suorituskykyyn. Kaupunki linja-auton ja kaivoslastaajan kohdalla tarkasteltiin myös kustannustehokkuutta suhteessa perinteisiin dieselkäyttöisiin ajoneuvoihin. Jokaisen ajoneuvon ja työkoneen kohdalla analysoitiin myös sähköisten energiavarastojen vaikutusta energiatehokkuuteen ja suorituskykyyn. Raskaiden ajoneuvojen ja työkoneiden voimansiirron sähköistämisessä täytyy ottaa huomioon monia erilaisia tekijöitä kuten toimintaympäristö, ajo- tai työsykli ja operointistrategia. Tämän väitöskirjan tavoitteena olikin luoda mahdollisimman kattavia laskentamenetelmiä, joilla voidaan tasapuolisesti vertailla erilaisia voimansiirron teknologioita ja operointistrategioita. Näiden menetelmien kehityksen keskiössä on ajoneuvosimulointi, jota käytettiin pääasiallisena tutkimusmenetelmänä. Simulointi on tehokas tapa kehittää ja arvioida erilaisia voimansiirron teknologioita varsinkin kun kyseessä on raskaat ajoneuvot ja työkoneet. Tutkimuksessa käytettiin ajoneuvosimulointiin kehitettyjä ohjelmistoja ja MATLAB/Simulink ohjelmistoa. Kokonaisuudessaan tutkimuksen tulokset osoittivat, että raskaiden ajoneuvojen ja työkoneiden energiatehokkuutta voidaan merkittävästi parantaa voimansiirron sähköistämisellä. Tulokset osoittivat myös, että mahdollinen energiatehokkuuden parantuminen on kuitenkin usein vahvasti riippuvainen voimansiirron topologiasta, operointisyklistä ja myös energiavarastosta. Kustannustehokkuusanalyysien mukaan hybridi- ja sähkölinja-autoilla on vielä useimmiten korkeammat elinkaarikustannukset kuin perinteisillä diesel linja-autoilla. Hybridikaivoslastaajalla on sen sijaan jo potentiaalia olla taloudellisesti kannattavampi kuin dieselkäyttöinen lastaaja. Energiavarastojen suorituskyvyn analyysit osoittivat, että nykyinen litium-ioni akkuteknologia tarjoaa hyvän suorituskyvyn teho- ja energiakapasiteetin suhteen. Näiden akkujen kustannukset ja kestoikä ovat kuitenkin vielä tärkeitä haasteita kun halutaan parantaa raskaiden ajoneuvojen ja työkoneiden kustannustehokkuutta.