Heavy-duty truck e-axle modeling and energy management strategy development
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-05-20
Department
Major/Subject
Mechatronics
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
59
Series
Abstract
Heavy-duty trucks significantly contribute to fuel consumption and emissions worldwide. Consequently, there is an increasing interest in exploring alternative powertrain solutions for heavy-duty trucks to address these pressing challenges. One promising approach that has emerged is the integration of e-axles (electric axles) into trailers as an assisting propulsion system. The e-axle enables the trailer to regenerate energy using electric motors, utilize saved energy for traction, and provide assisting power under challenging road conditions. In this thesis, the potential of retrofitting an e-axle into a heavy-duty truck trailer has been evaluated through a case study. The case vehicle is a long-haul truck used for transporting dry-bulk materials, with a maximum weight of 75 tons. The vehicle, along with its e-axle and battery pack, was modeled and simulated using MATLAB Simulink. The parameters and typical driving cycle of the case truck were utilized for model calibration and simulation. To ensure the value of the e-axle investment, the simulated fuel savings and energy consumption were evaluated. Furthermore, three energy management strategies (EMSs) were developed, including a rule-based and two optimization-based EMSs (offline and online EMSs) based on Pontryagin's Minimum Principle (PMP). The model was simulated using the typical driving cycle of the case truck, a round-trip Tornio to Kittilä. The simulation results were compared with the measured data to indicate that the model reliably represents the vehicle behaviors in terms of torque, gear ratios, and consumption. Different sizes of e-axle components were simulated to provide insights into component selection. The additional mass of the e-axle component had a significant impact on energy consumption, and components should be selected to be the minimum size with acceptable regenerative energy savings. Notably, the developed EMSs could achieve good consumption levels. The results demonstrated a fuel-saving potential ranging from 1.4% to 3.1% across different EMSs and component sizes, indicating that powertrain electrification could significantly reduce fuel costs and improve emission outcomes.Raskaat kuorma-autot lisäävät polttoaineen kulutusta ja aiheuttavat päästöjä maailmanlaajuisesti. Kuorma-autojen sähköistäminen on tärkeä näiden ongelmien ratkaisemiseksi. Yksi lupaavimmista ratkaisuista on e-akselin (sähköakselin) integrointi kuorma-auton peräkärryihin. E-akseli mahdollistaa ajoneuvon regenerointi sähkömoottorilla, jarrutusenergian talteenotto ja apuvoiman tuotto vaikeassa ajo-olosuhteessa. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia kuorma-auton peräkärryyn asennettavan e-akselin potentiaalia case-esimerkin kautta. Tutkimuksen kohteena oli kaukoliikenteen kuorma-auto, jota käytetään kuivan irtotavaran kuljetukseen. Kuorma-auton enimmäispaino oli 75 tonnia. Työssä kehitettiin voimalinjan mallinuksen case-ajoneuvon parametrien ja ajomittausdatan avulla. Lisäksi työssä kehitettiin kolme energianhallintastrategiaa (EMS), mukaan lukien sääntöperusteisen ja kaksi optimointiperusteista strategiaa (globaalisen ja reaaliaikaisen EMS:n). Simuloinnissa käytettiin case-ajoneuvon tyypillistä ajosykliä, eli meno-paluumatka Torniosta Kittilään. Mallin tuloksia vertailtiin mitattuihin tuloksiin, mikä osoitti simuloinnin toimivuuden. Lisäksi työssä simuloitiin eri parametrilla, ja tarjottiin näkemyksiä komponenttien mitoitukseen. E-akselin lisäpaino vaikutti merkittävästi ajoneuvon energiankulutukseen. Komponentit tulisi valita mahdollisimman pieniksi, mutta hyväksyttävän regeneratiivisen tehon saavuttamiseksi. Simuloinnin tulosten mukaan polttoaineensäästö oli 1,4%-3,1% eri EMS:lla ja mitoituksella. Tulokset osoittivat, että peräkärryyn sähköistäminen voi merkittävästi vähentää polttoainekulutusta ja päästöjä.Description
Supervisor
Pippuri-Mäkeläinen, JenniThesis advisor
Ritari, AnttiKeywords
hybrid vehicle, e-axle, heavy-duty truck, energy management