Hydraulic Hybrid Propulsion for Heavy Vehicles: Combining the Simulation and Engine-In-the-Loop Techniques to Maximize the Fuel Economy and Emission Benefits Propulsion hybride hydraulique des poids lourds : une approche alliant les techniques de simulation et d’« Engine-In-the-loop » (EIL) afin de maximiser les économies de carburant et les avantages en termes d’émissions

• Main Authors: Filipi Z., Kim Y. J.
• Format: Article
• Language: English
• Published: EDP Sciences 2009-09-01
• Series: Oil & Gas Science and Technology
• Online Access: http://dx.doi.org/10.2516/ogst/2009024

The global energy situation, the dependence of the transportation sector on fossil fuels, and a need for a rapid response to the global warming challenge, provide a strong impetus for development of fuel efficient vehicle propulsion. The task is particularly challenging in the case of trucks due to severe weight/size constraints. Hybridization is the only approach offering significant breakthroughs in near and mid-term. In particular, the series configuration decouples the engine from the wheels and allows full flexibility in controlling the engine operation, while the hydraulic energy conversion and storage provides exceptional power density and efficiency. The challenge stems from a relatively low energy density of the hydraulic accumulator. This places particular emphasis on development of the supervisory controller. The conventional wisdom is to operate the engine at the “sweet spot”, but the aggressive pursuit of engine efficiency as the sole objective can lead to frequent and rapid diesel engine transients, thus causing an adverse affect on the soot emissions and driver feel. Therefore, we propose a comprehensive methodology for considering a combined hybrid system fuel-economy and emissions objective. The fuel economy is addressed with the simulation-based approach, while investigating the impact of engine transients on particulate emission relies on the Engine-In-the-loop (EIL) capability. The EIL study confirms advantages of a modulated state-of-charge control over the thermostatic approach, and demonstrates the ability of the Series Hydraulic Hybrid to improve the fuel economy of the medium truck by 72%, while reducing the particulate emission by 74% compared to the conventional baseline over the city driving schedule. <br> La situation énergétique mondiale, la dépendance du secteur des transports vis-à-vis des combustibles d’origine fossile et la nécessité d’une réponse rapide face au défi présenté par le réchauffement climatique fournissent une forte motivation pour le développement de moyens de propulsion véhiculaires économes. Pour les camions, cette tâche est particulièrement difficile à accomplir du fait d’importantes contraintes de taille et de poids. L’hybridation est la seule approche qui puisse déboucher sur des progrès importants à court et moyen termes. En particulier, la configuration “hybride série” découple le moteur thermique des roues et permet une flexibilité complète dans le contrôle des points de fonctionnement moteur. De plus, la conversion et le stockage de l’énergie hydraulique fournissent une densité de puissance et un rendement excellents. Le défi technologique tient à la faible densité d’énergie de l’accumulateur hydraulique, et met en avant l’importance particulière du développement du gestionnaire de l’énergie. Il est communément admis qu’il faut maintenir le moteur au point de rendement maximum mais, si l’objectif ultime en terme énergétique consiste à optimiser drastiquement le rendement du moteur, ceci induit des phases transitoires fréquentes causant pour des moteurs diesels des effets opposés tant sur l’émission de particules que sur l’agrément de conduite. Par conséquent, nous proposons une méthodologie pour le superviseur d’énergie d’un système hybride, qui prend en compte 2 objectifs : la réduction de consommation et la réduction des émissions polluantes. Les économies de carburant sont prises en compte par une approche fondée sur la simulation, alors que l’étude de l’impact des phases transitoires du moteur sur les émissions de particules, est fondée sur un dispositif expérimental combinant modèles temps réel et moteur réel – l’EIL (Engine-In-the-Loop). Le dispositif EIL confirme que le contrôle de la répartition énergétique thermique/hydraulique de l’état de charge des batteries (SOC) présente des avantages certains sur celui basé sur l’approche de contrôle type « bang-bang ». De plus, elle démontre la capacité de l’Hybride Hydraulique Série à améliorer de 72 % les économies de carburant d’un camion de taille moyenne tout en réduisant les émissions de particules de 74 % comparée á la référence conventionnelle sur le cycle de conduiteurbain.