Route Optimized Energy Management of Plug-in Hybrid Electric Vehicles

En laddhybridbil kan reducera sin rörliga bränslekostnad genom att optimera hur den ska använda sitt fullladdade batteri längs med en känd rutt, detta enligt en avhandling skriven av Viktor Larsson på Chalmers [1]. Viktor försvarade sin avhandling den 12 maj.

En laddhybrid är ofta inställd på att först köra elektriskt så långt som det är möjligt.  På detta sätt garanteras att all den billiga el-energin används innan fordonet börjar använda det dyrare flytande bränslet. När batteriet är netto-urladdat används det sedan som ett mer traditionellt fullhybridbatteri tillsammans med förbränningsmotorn.

När sträckan mellan laddningar är kortare än elräckvidden är denna strategi kostnadsoptimal, men om körsträckan är längre än elräckvidden är det mer tveksamt.  Vilken energihanteringsstrategi ska bilens mjukvara använda för att minimera kostnaden då?

För att kunna svara så måste bilen veta hur den kommer användas i framtiden. Viktors problem är därför uppdelat i tre steg.

Det första steget är att göra en förutsägelse om bilens rutt. Det andra steget är att baserat på förutsägelsen förberäkna en optimal energihanteringsstrategi. Detta kan göras innan körningen startar eller precis i starten av körningen (tex. med en app i en smartphone, tänk en GPS som beräknar rutten). Det är värt att poängtera att många fordon används för pendling och det är därför inte säkert att förberäkningen behöver genomföras varje dag. Givet den förberäknade strategin behöver sedan bilen identifiera de optimala driftspunkterna i drivlinan i realtid.

Alla de här stegen kräver kloka förenklingar och val av beräkningsmetoder.

Förutsägelsen av rutter är baserad på historisk data om hur bilen används. Metoden som Viktor använder är ”hierarkisk klustring”. Tanken är att föraren inte själv skall behöva specificera sina rutter, möjligen kan föraren bekräfta för bilen att han/hon skall köra till jobbet.

För det andra steget undersökte Viktor två olika metoder. De är ”konvex optimering” och “dynamisk programming”. Viktor har försökt minimera tidsåtgång för beräkningarna för dynamisk programmering. Resultatet av en dessa beräkningar kan lite förenklat sägas vara i vilken takt batteriet skall laddas ur längs med rutten.

Det tredje steget är att beräkna de optimala driftspunkterna i drivlinan i varje tidsögonblick. Där har han använt en välkänd strategi som kallas ECMS (Equivalent Consumption Minimization Strategy) som baseras på att minimera Hamilton funktionen för systemet. Tricket för att få en beräkningseffektiv strategi, som kan köras med befintlig hårdvara,  är att göra smarta (och enkla) approximationer av elmotor och förbränningsmotor. Man kan på detta sätt erhålla den optimala momentfördelningen i drivlinan genom att utvärdera en reltivt enkel funktion i varje tidsögonblick.

Viktor visar i avhandlingen att hans ruttoptimerade strategi kan minska bränsleförbrukning med upp till 10% i jämförelse med den vanliga strategin. (Beror väldigt mycket på körsträckla och hastighetsprofil).

En intressant del är att strategin har testats i ett riktigt fordon också. Det riktiga fordonet beter sig som det simulerade fordonet.

Kappan för avhandlingen finns här som fulltext.

Något som extra kul med Viktors avhandling är att den har fått mycket uppmärksamhet nationellt och internationellt [2-7].  Det är mycket bra och viktigt för Sverige som fordonsforskningsland.

Viktors forskningsarbete har varit finansierad av Svenskt Hybridfordonscentrum.

Handledare har varit Professor Bo Egardt på Chalmers och Dr. Lars Johannesson från Viktoria Swedish ICT. Om man är intresserad av tidigare forskning på Chalmers, fast med fokus på stadshybridbussar kan man läsa Lars avhandling ”Predictive Control of Hybrid Electric Vehicles on Prescribed Routes” från 2009.

Tack Emilia Lundgren som skrivit pressrelasen som fick så mycket internationell spridning. Emilia har också samlat ihop alla artiklar som någon har skrivit om Viktors avhandling. De är många fler än jag har med i referenslistan.

Vi gratulerar Dr. Viktor Larsson till ett fint arbete.

Referenser 

[1] Route Optimized Energy Management of Plug-in Hybrid Electric Vehicles. Viktor Larsson. 2014. Doktorsavhandling. Chalmers. länk

[2] Plug-in Hybrid Fuel Consumption Can Be Cut By 10% Via Logged Driving Routes. CleanTechnica. länk

[3] Optimal Battery Use Can Make Hybrid Cars 10% More Efficient.  Daily Fusion. 21 maj 2014. länk

[4] Hybrid electric vehicles: Logged driving route can reduce energy consumption by 10 percent. Science Daily 19 maj 2014. länk

[5] Software Teaches Hybrids When (and When Not) to Go Electric. IEEE Spectrum. 20 maj 2014. länk

[6] När laddhybriden själv får bestämma…. Elektroniktidningen. 9 maj 2014. länk

[7] Researchers maximize your hybrid’s battery by learning your routine. Engadget. 19 maj 2014. länk