On the Optimal Thermal Management of Hybrid-Electric Vehicles with Heat Recovery Systems

Sur le thermo-management optimal d’un véhicule électrique hybride avec un système de récupération de chaleur

¹ ETH Zurich, Dept. of Mechanical and Process Engineering, Sonnegstr. 3, 8092 Zürich, Switzerland ; now with the International Postgraduate Trainee, ZF Friedrichshafen AG, 88038 Friedrichshafen - Germany
² IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
e-mail: felix.merz2@zf.com (present address) - antonio.sciarretta@ifpen.fr - jean-charles.dabadie@ifpen.fr - lorenzo.serrao@dana.com (present address)

^⋆ Corresponding author

Abstract

A general framework to combine optimal energy management (powertrain supervisory control) and thermal management in Hybrid Electric Vehicles (HEV) is presented. A HEV system with engine exhaust aftertreatment and exhaust heat recovery system is simulated under various scenarios, including warm and cold start. Optimal strategies are derived from Pontryagin Minimum Principle (PMP). The concept of fuel equivalent of thermal energy variations – similar to the equivalence factors for battery energy of standard Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) – is introduced. The PMP-based strategies are compared with a heuristic, rule-based strategy. The benefits in fuel economy and reduction of pollutant emissions that are obtained for several scenarios are very promising.

Résumé

Une approche généralisée pour combiner la gestion de l’énergie (supervision du groupe motopropulseur) et le thermo-management dans les véhicules hybrides électriques est proposée. Un système hybride incluant le post-traitement des polluants et un système de récupération de la chaleur à l’échappement du moteur thermique est simulé pour plusieurs scénarii, y compris le cas de départ à froid. Des stratégies de gestion de l’énergie optimales sont dérivées à partir du Principe de Minimum de Pontriaguine (PMP). Inspirée par les facteurs d’équivalence pour la consommation électrique que l’on retrouve dans la stratégie ECMS, la notion d’équivalent en carburant des flux d’énergie thermique est introduite. Les stratégies dérivées du PMP sont comparées avec une stratégie heuristique basée sur des règles. Les bénéfices en termes d’économies de carburant et réduction des émissions polluantes que l’on trouve pour différents scénarii sont encourageantes.