Concept modeling of energy efficiency for heavy-duty trucks with E-axle equipped trailer

Abstract

The purpose of this master’s thesis is to study potential of E-axle on a trailer to provide better maneuverability for heavy trucks, and the possibility of fuel savings and thus lower tailpipe emissions and operating costs of the vehicle. Three different truck combination types were studied, timber, tipper, and long-haul trucks. Real-life driving data and other information of the selected truck types are collected, and simulation model of the trucks are created with MATLAB. Models are validated by comparing the simulation results with the collected real life driving data. After validation, E-axle is added to the model and the potential of the E-axle is tested in the abovementioned use cases. The results indicate that even a relatively small battery of 20 kWh could yield substantial fuel savings in the range of 5–15 %, depending on the drive cycle. If battery has to be charged by driving operations, the net fuel saving ranges between -1–9 %. However, the used control logic for the E-axle in this study was very simple and better overall results can be expected with optimized system. Substantially increased hill climbing ability in highway speeds with E-axle was also demonstrated, even with downgraded engines. Findings provide good general information about the potential of E-axle in timber, tipper, and long-haul trucks.

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia peräkärryyn asennettavan sähköisen akselin, eli E-akselin hyödyntämistä raskaiden ajoneuvojen liikkuvuuden parantamisessa, sekä kulutuksen ja siten päästöjen ja käyttökulujen pienentämisessä. Työn kohteena on kolme erilaista raskasta ajoneuvoyhdistelmää, puuauto, sora-auto, sekä kaukoliikenneauto, joista kerätään ajomittausdataa reaaliympäristössä. Kirjallisuudesta ja tutkimuksista hankittujen ajoneuvon tietojen, sekä kerätyn ajodatan perusteella luodaan ajoneuvoista simulointimallit MATLAB-ohjelmistolla, jossa mallin toimivuus validoidaan vertaamalla simuloinnissa saatuja tuloksia mitattuihin tuloksiin. Kun mallin toimivuus on varmistettu, lisätään malliin E-akseli ja verrataan ja arvioidaan E-akseli potentiaalia yllä mainituissa tapauksissa suhteessa tavalliseen autoon. Tulokset antavat olettaa, että jo suhteellisen pienellä akkukoolla kuten 20 kWh, voi olla mahdollista saavuttaa ajosyklistä riippuen 5–15 % polttoainesäästöjä. Mikäli akku joudutaan kuitenkin lataamaan ajamalla täyteen, niin nettopotentiaali voi vaihdella -1–9 % välillä. Täytyy kuitenkin muistaa, että tässä työssä käytetty ohjauslogiikka E-akselille on hyvin yksinkertainen ja siten voidaankin olettaa, että kunnollisella optimoidulla ohjauslogiikalla on mahdollista saavuttaa yleisesti ottaen parempia tuloksia. Myös mäennousukyvyssä huomattiin huomattava parannus Eakselilla varustetuissa ajoneuvoissa, myös tapauksissa, joissa moottorin kokoa oli pienennetty alkuperäisestä. Tulokset antavat yleispätevää tietoa E-akselin potentiaalista puuautossa, sora-autossa ja kaukoliikenne käytössä.