Short description
(German)
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Thermische Bedingungen spielen eine zentrale Rolle für den Komfort und den Energieverbrauch in Fahrzeuganwendungen. In diesem Projekt werden dazu für den elektrifizierten Nahverkehr detaillierte Untersuchungen gemacht. Dank physikalischer Modellierung können Erkenntnisse über die optimale Auswahl der Komponenten sowie deren optimaler Ansteuerung gewonnen werden. Auf dieser Basis wird ein Thermomanagement für einen elektrifizierten Stadtbus entwickelt, mit dem einerseits der Energieverbrauch ohne Komforteinbusse reduziert, andererseits die Nutzerfreundlichkeit erhöht wird.
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Short description
(English)
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Thermal conditions play an important role for the comfort and energy consumption in vehicular applications. This project aims to carry out detailed investigations into the thermal systems of electrified local transit. The physical model will bring insights into the optimal selection of components, as well as their optimal control. On this basis, a thermal management will be developed for an electrified city bus, which on the one hand reduces energy consumption without compromising comfort and on the other hand increases user-friendliness.
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Short description
(French)
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Les conditions thermiques jouent un rôle important pour le confort et la consommation d'énergie dans les applications véhiculaires. Ce projet vise à réaliser des études détaillées sur les systèmes thermiques des transports en commun locaux électrifiés. Le modèle physique permettra de mieux comprendre la sélection optimale des composants, ainsi que leur contrôle optimal. Sur cette base, une gestion thermique sera développée pour un bus urbain électrifié, qui d'une part réduit la consommation d'énergie sans compromettre le confort et d'autre part augmente la convivialité.
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Publications / Results
(German)
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Die Elektrifizierung des öffentlichen Personennahverkehrs ist in vollem Gang. Der Bau von Trolley- und Batteriebussen, die Fahrgast-Komfort und tiefen Stromverbrauch in Einklang bringen, ist technisch anspruchsvoll. Forschungseinrichtungen wie die Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich unterstützen die Hersteller mit wichtigen Erkenntnissen etwa zum optimalen Einsatz von Batterien. Ein aktuelles Forschungsprojekt zielt auf eine bessere Energieversorgung von Heizung, Lüftung und Klimatisierung.
Related documents
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Publications / Results
(English)
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The electrification of local public transport is in full swing. Building battery-operated buses and trolleybuses that combine passenger comfort with low power consumption is technically challenging. Research institutions such as the Swiss Federal Institute of Technology (Eidgenössische Technische Hochschule/ETH) in Zurich are supporting manufacturers with important findings such as the optimal use of batteries, for example. A current research project aims to improve the energy supply for heating, ventilation and air conditioning.
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Publications / Results
(French)
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L'électrification des transports publics locaux de passagers est en plein essor. La construction de trolleybus et de bus à batterie, qui concilient confort des passagers et faible consommation d'électricité, est techniquement exigeante. Des instituts de recherche comme l'École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ) soutiennent les fabricants en leur fournissant des informations importantes, notamment sur l'utilisation optimale des batteries. Un projet de recherche actuel vise à améliorer l'alimentation en énergie du chauffage, de la ventilation et de la climatisation.
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Final report
(German)
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Dieser Abschlussbericht hält die wichtigsten Erkenntnisse des Forschungsprojekts ISOTHERM fest. In diesem Projekt werden die thermischen Systeme von Fahrzeugen im elektrifizierten öffentlichen Verkehr im Detail analysiert. Dazu wird ein modellbasierter Ansatz verfolgt. Die entwickelten Modelle werden auf modulare Weise kombiniert, was die Analyse verschiedener Fahrzeugtypen und verschiedener Systemkonfigurationen ermöglicht. Ziel ist es, das Systemverständnis so zu verbessern, dass die inhärenten Zielkonflikte zwischen Energieeffizienz, thermischem Komfort und Batteriedegradation einerseits durch die Optimierung des Designs (d.h. der Hardware) des Systems für zukünftige Fahrzeuge und andererseits durch die Optimierung der Steuerung (d.h. des Betriebs durch die Software) eines gegebenen Systems in Echtzeit besser gelöst werden können. Wir erachten die folgenden drei Punkte als die wichtigsten Erkenntnisse.
Erstens werden für die Entwicklung der Modellstruktur die Paradigmen der “graphbasierten Modellierung” angewandt, um die Modularität der Modelle zu sicherzustellen. Die entwickelte Modellstruktur bietet viele nützliche Funktionen, wie die Visualisierung des Modells in Form eines gerichteten Graphen, die Bestimmung der Anzahl der Freiheitsgrade, die Simulation mit kausalen Reglern und die automatische Formulierung und Lösung von Problemen der optimalen Steuerung. Diese Modellstruktur bildet somit eine ideale Grundlage für die weitere Arbeit im nachfolgenden Projekt Swiss eBus Plus. Zweitens wird eine eingehende Analyse des Energieverbrauchs verschiedener Fahrzeuge des öffentlichen Verkehrs unter der Annahme eines stationären Zustands durchgeführt. Dieser rechnerisch effiziente Ansatz ermöglicht es, mehrere tausend Szenarien unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu betrachten, und somit die ganzjährige Leistung des Systems bei unterschiedlichen Komfortanforderungen abzuschätzen. Den Kompromiss zwischen dem erreichten thermischen Komfort und dem Energieverbrauch können wir schliesslich visualisieren, indem wir beide Ziele in einer Pareto-Front darstellen. Der Vergleich dieser Ergebnisse für verschiedene Konfigurationen zeigt, dass Wärmepumpen mit einem Energieeinsparungspotenzial von 40–60% die vielversprechendste Verbesserung gegenüber Systemen auf der Basis von rein elektrischen Heizungen darstellen. Luftschleier können den Energieverbrauch in Bussen um etwa 25% senken, während der Effekt bei Zügen weniger ausgeprägt ist. Auf der anderen Seite kann eine um 20% erhöhte Isolation den jährlichen Energieverbrauch in Zügen um etwa 20% senken, während sie in Bussen weniger wirksam ist. Heizstrahler können in Bussen ohne Wärmepumpen zu einer Verringerung des Energieverbrauchs um 6–7% führen. Dieses Potenzial verschwindet jedoch, wenn eine Wärmepumpe installiert ist. Bei anderen Fahrzeugtypen bieten Heizstrahler kein Einsparungspotenzial. Drittens zeigen die Untersuchungen im Rahmen dieses Projekts den erheblichen Einfluss des Wärme und Traktionsenergiemanagements auf die Batteriealterung. Insbesondere wird das Potenzial der Einbeziehung eines thermischen Puffers in das Traktionsenergiemanagement gründlich analysiert. Dabei zeigt sich, dass es wichtig ist, eine hohe Pufferleistung von mindestens 50kW anzubieten, um das volle Potenzial des Puffers auszuschöpfen. Andererseits muss die Energiekapazität des Wärmespeichers nicht allzu gross sein: Bereits 500Wh reichen aus. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird eine intelligente Heizstrategie auf Grundlage des Pontrjaginschen Minimumprinzips für das Warmwassersystem entwickelt. Diese Strategie wird auf einem von den VBZ betriebenen Trolleybus-Prototypen umgesetzt, der über ein steuerbares Widerstandsheizelement verfügt. Nach über 1000 Betriebsstunden zeigt eine umfangreiche Datenanalyse, dass die neue Strategie effektiv in der Lage ist, die Batteriealterung um etwa 12% zu reduzieren. Schliesslich wird ein optimiertes Traktionsenergiemanagement vorgeschlagen, das auf periodischen Messungen der Batteriegesundheit basiert. Der dreistufige Regelalgorithmus kann diese Messungen nutzen, um eine bestimmte Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten, selbst wenn die internen Modelle nicht perfekt sind oder nicht gemessene Störungen auftreten.
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Final report
(English)
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This final report records the most important findings of the research project ISOTHERM. In this project, the thermal systems of vehicles in electrified public transport are analyzed in detail. Therefore, a modelbased approach is followed. The developed models are combined in a modular fashion allowing the analysis of different vehicle types and various systems configurations. The goal is to improve the understanding of the systems such that the inherent trade-offs between energy efficiency, thermal comfort, and battery degradation can be resolved more effectively, on the one hand, by optimizing the design (i.e., the hardware) of the system for future vehicles, and, on the other hand, by optimizing the control (i.e., the manner of operation through software) of the a given system in real time. We consider the following three points to be the main contributions. First, for the development of the modeling framework, the paradigms of “graph-based modeling” are adopted to ensure the modularity of the models “by design”. The developed framework offers many useful features, such as model graph visualization, determination of the number of degrees of freedom, simulation using causal controllers and automatic formulation and solution of optimal control problems (OCPs). This framework hence forms an ideal basis for the continued work in the subsequent project Swiss eBus Plus. Second, an in-depth analysis of the energy consumption of different public transport vehicles is conducted based on a steady-state assumption. This computationally efficient approach allows to evaluate several thousand scenarios in various ambient conditions to estimate the year round performance of the system subject to different comfort requirements. Thus, we can quantify the trade-off between the achieved thermal comfort and the energy consumption by visualizing both objectives in a Pareto front. Comparing these results for various configurations, we show that heat pumps are the most promising improvement over systems based on positive temperature coefficient (PTC) heaters, reducing the energy consumption by 40–60%. Air curtains can reduce the energy consumption in buses by about 25%, while the effect is less pronounced for trains. On the other hand, insulation improvements by 20% can reduce the annual energy consumption in trains by about 20%, while being less effective in buses. Radiant heaters can lead to a reduction in energy consumption of 6–7% in buses that are heated with PTC heaters. However, this potential vanishes when a heat pump is installed. For other types of vehicles, radiant heaters offer no savings potential. Third, the research conducted in this project reveals the significant influence of the thermal and traction energy management on battery aging. The potential of including a thermal buffer into the traction energy management is analyzed thoroughly, revealing the fact that it is important to offer a high buffering power of at least 50kW to harness the buffer’s full potential. On the other hand, the energy capacity does not have to be large: 500Wh is already sufficient. On the basis of these findings, an intelligent heating strategy is developed based on Pontryagin’s minimum principle (PMP). This strategy is implemented on a prototype trolley bus, which features a controllable resistive heating element. After over 1000 h of operation in the public transport grid of Verkehrsbetriebe Zürich (VBZ), extensive data analysis suggests that it is indeed able to significantly reduce battery degradation by about 12%. Finally, an optimized traction energy management system (EMS) is suggested based on periodic state of health (SOH) measurements. This three-level control algorithm can use these measurements to ensure a certain lifetime of the battery even if its internal models are not perfect or if unmeasured disturbances occur.
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Final report
(French)
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Ce rapport final présente les principales conclusions du projet de recherche ISOTHERM. Ce projet analyse en détail les systèmes thermiques des véhicules de transport public électrifiés. Pour ce faire, une approche basée sur des modèles a été adoptée. Les modèles développés sont combinés de manière modulaire, ce qui permet d'analyser différents types de véhicules et différentes configurations de systèmes. L'objectif est d'améliorer la compréhension du système de manière à ce que les conflits d'objectifs inhérents entre l'efficacité énergétique, le confort thermique et la dégradation de la batterie puissent être mieux résolus, d'une part, en optimisant la conception (c'est-à-dire le matériel) du système pour les véhicules futurs et, d'autre part, en optimisant le contrôle (c'est-à-dire le fonctionnement par le logiciel) d'un système donné en temps réel. Nous considérons les trois points suivants comme les principales conclusions.
Premièrement, les paradigmes de la "modélisation basée sur des graphiques" sont appliqués pour le développement de la structure du modèle afin de garantir la modularité des modèles. La structure de modèle développée offre de nombreuses fonctionnalités utiles, telles que la visualisation du modèle sous la forme d'un graphe orienté, la détermination du nombre de degrés de liberté, la simulation avec des régulateurs causaux et la formulation et la résolution automatiques des problèmes de commande optimale. Cette structure de modèle constitue donc une base idéale pour la suite du travail dans le projet Swiss eBus Plus qui suivra. Deuxièmement, une analyse approfondie de la consommation d'énergie de différents véhicules de transport public est effectuée en supposant un état stationnaire. Cette approche, efficace du point de vue du calcul, permet d'envisager plusieurs milliers de scénarios dans différentes conditions environnementales, et donc d'estimer les performances du système tout au long de l'année en fonction de différentes exigences de confort. Nous pouvons enfin visualiser le compromis entre le confort thermique obtenu et la consommation d'énergie en représentant les deux objectifs sur un front de Pareto. La comparaison de ces résultats pour différentes configurations montre que les pompes à chaleur, avec un potentiel d'économie d'énergie de 40 à 60%, représentent l'amélioration la plus prometteuse par rapport aux systèmes basés sur un chauffage purement électrique. Les rideaux d'air peuvent réduire la consommation d'énergie d'environ 25% dans les bus, alors que l'effet est moins prononcé dans les trains. D'autre part, une isolation accrue de 20% peut réduire la consommation annuelle d'énergie d'environ 20% dans les trains, alors qu'elle est moins efficace dans les bus. Les radiateurs rayonnants peuvent entraîner une réduction de la consommation d'énergie de 6 à 7% dans les bus sans pompe à chaleur. Cependant, ce potentiel disparaît lorsqu'une pompe à chaleur est installée. Pour les autres types de véhicules, les radiateurs rayonnants n'offrent aucun potentiel d'économie. Troisièmement, les études menées dans le cadre de ce projet montrent l'influence considérable de la gestion de l'énergie thermique et de traction sur le vieillissement de la batterie. En particulier, le potentiel de l'intégration d'un tampon thermique dans la gestion de l'énergie de traction est analysé en profondeur. Il en ressort qu'il est important de proposer une capacité de tampon élevée, d'au moins 50kW, afin d'exploiter pleinement le potentiel du tampon. D'autre part, la capacité énergétique de l'accumulateur de chaleur ne doit pas être trop importante : 500Wh suffisent déjà. Sur la base de ces conclusions, une stratégie de chauffage intelligente basée sur le principe du minimum de Pontrjagin sera développée pour le système d'eau chaude. Cette stratégie est mise en œuvre sur un prototype de trolleybus exploité par les VBZ, qui dispose d'un élément de chauffage à résistance contrôlable. Après plus de 1000 heures d'exploitation, une analyse complète des données montre que la nouvelle stratégie est effectivement en mesure de réduire le vieillissement de la batterie d'environ 12%. Enfin, une gestion optimisée de l'énergie de traction est proposée, basée sur des mesures périodiques de la santé de la batterie. L'algorithme de contrôle à trois niveaux peut utiliser ces mesures pour garantir une certaine durée de vie de la batterie, même si les modèles internes ne sont pas parfaits ou si des perturbations non mesurées apparaissent.
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