Detailed vehicle modelling of state-of-the-art energy efficiency technologies

Abstract

The present doctorate aims to: the development of a detailed test protocol for the generation of consistent and repeatable data for the validation of energy consumption of vehicle simulation models, the development of a template model topology, applicable to all conventional vehicles, to facilitate and guide the modeling process, the generation of a large pool of highly accurate simulation data which are being used for the development and validation of CO2MPAS tool, the analysis and quantification of the impact of WLTP introduction on the certification procedure compared to the old NEDC, the development of modeling approaches of state-of-the-art energy efficiency technologies in vehicle simulation models and to the development of a methodology for the calculation of CO2 emissions in real world driving conditions.For this reason the European vehicle fleet has been divided in characteristic segments as a function of transmission type, fuel type, displacement and engine aspiration type. A vehicle was selected for each one of the segments which was measured in the NEDC and WLTP protocols and for which a simulation model was developed in the Cruise software of the company AVL GmbH. The model validation has been conducted by comparing their results against their respective measurements for four different criteria that has been established by the European Commission in the context of “WLTP/NEDC Correlation exercise” research program. The developed vehicle simulation models combined with fourteen different energy efficiency technologies and a database has been developed which was used for the development and validation of CO2MPAS tool. Finally, the developed vehicle simulation models and their results were used in a scenario for the prediction of vehicle fleet average CO2 emissions for 2030 and to investigate their usage in a potential real-world driving type approval.Concluding, the dominant reason for the ΔCO2 between WLTP and NEDC was found to be the different inertia test mass and the applied driving resistance, Most of the investigated technologies have a larger average effect in NEDC rather than WLTP since manufacturers developed and optimized these technologies to comply with the NEDC legislation. Moreover, using a generic vehicle simulation model with data from public sources and the developed database it was shown that the real world fuel consumption simulation can be successful, the future composition of vehicle fleet cannot be predicted but rather only estimated due to its dependence on macro economy, CO2 regulatory framework, customer demographics etc. Finally, optimizations towards the new procedure by vehicle manufacturers will still be possible but yet, it is unclear how are they going to be adopted and what will their CO2 effect be.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι: η ανάπτυξη αναλυτικού πρωτοκόλλου μέτρησης για την παραγωγή έγκυρων και επαναλήψιμων δεδομένων για την επικύρωση μοντέλων ενεργειακής κατανάλωσης οχημάτων, η ανάπτυξη πρότυπης τοπολογίας μοντέλου, εφαρμόσιμου σε όλα τα συμβατικά οχήματα, για την διευκόλυνση και καθοδήγηση της διαδικασίας μοντελοποίησης, η δημιουργία μεγάλου εύρους δεδομένων από μοντελοποιήσεις υψηλής ακρίβειας, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη και επικύρωση του εργαλείου CO2MPAS, η ανάλυση και ποσοτικοποίηση της επίπτωσης της εισαγωγής στην νομοθεσία του νέου πρωτοκόλλου WLTP συγκριτικά με το παλαιότερο NEDC, η ανάπτυξη διαδικασιών μοντελοποίησης σύγχρονων τεχνολογιών υψηλής ενεργειακής απόδοσης σε προσομοιώσεις οχημάτων και η ανάπτυξη μεθοδολογίας για τον υπολογισμό των εκπομπών CO2 σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης χρησιμοποιώντας γενικευμένα μοντέλα προσομοίωσης.Για τον λόγο αυτό, ο Ευρωπαϊκός στόλος οχημάτων χωρίστηκε σε χαρακτηριστικά τμήματα ανάλογα με τον τύπο κιβωτίου ταχυτήτων, τον τύπο καυσίμου, τον όγκο εμβολισμού και τον τύπο της τροφοδοσίας του κινητήρα. Ένα όχημα επιλέχθηκε για κάθε τμήμα το οποίο μετρήθηκε στα πρωτόκολλα NEDC και WLTP και για το οποίο δημιουργήθηκε μοντέλο προσομοίωσης στο λογισμικό Cruise της εταιρίας AVL GmbH. Η επικύρωση των μοντέλων που πραγματοποιήθηκε συγκρίνοντας τα αποτελέσματά τους με τις μετρήσεις για τέσσερα διαφορετικά κριτήρια τα οποία θεσπίστηκαν από την Ευρωπαϊκή Επιτροπη στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος «WLTP/NEDC Correlation exercise». Τα μοντέλα οχημάτων που αναπτύχτηκαν συνδυάστηκαν με δεκατέσσερις τεχνολογίες υψηλής ενεργειακής απόδοσης και δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων η οποία χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη και επικύρωση του εργαλείου CO2MPAS. Τέλος, τα μοντέλα οχημάτων που αναπτύχθηκαν και τα αποτελέσματα που παρήχθησαν χρησιμοποιήθηκαν σε ένα σενάριο πρόβλεψης των μέσων εκπομπών CO2 από τον στόλο οχημάτων για το 2030 και για την διερεύνηση χρήσης τους στην έγκριση τύπου οχημάτων υπό πραγματικές συνθήκες οδήγησης.Συμπερασματικά, οι κυρίαρχοι λόγοι του ΔCO2 μεταξύ WLTP και NEDC είναι η διαφορετική αδρανειακή μάζα και η αντίσταση δρόμου που χρησιμοποιήθηκε, οι περισσότερες τεχνολογίες υψηλής ενεργειακής απόδοσης που μελετήθηκαν έχουν μεγαλύτερη επίπτωση στο πρωτόκολλο NEDC συγκριτικά με το WLTP διότι αναπτύχθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν στα πλαίσια της νομοθεσίας NEDC. Επίσης, η χρήση γενικευμένου μοντέλου προσομοίωσης οχήματος με δεδομένα από δημόσιες πηγές καθώς και από την βάση δεδομένων που δημιουργήθηκε μπορεί να οδηγήσει σε επιτυχή προσομοίωση της κατανάλωσης καυσίμου σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης, η μελλοντική σύσταση του στόλου οχημάτων δεν μπορεί να προβλεφθεί παρά να εκτιμηθεί εξαιτίας της εξάρτησής του από την μάκρο-οικονομία, της Νομοθεσία CO2, τις καταναλωτικές συνήθειες κτλ. Τέλος, βελτιστοποιήσεις στο νέο πρωτόκολλο μέτρησης από τους κατασκευαστές αυτοκινήτων θα είναι ακόμα εφικτές, αλλά προς το παρόν δεν είναι ξεκάθαρο πως θα υιοθετηθούν και ποια η επίπτωσή τους στην κατανάλωση καυσίμου και το CO2 θα είναι.