Till innehåll på sidan

Life Cycle Energy Optimisation: A multidisciplinary engineering design optimisation framework for sustainable vehicle development

Tid: Fr 2023-02-24 kl 10.00

Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm

Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/65220660443

Språk: Engelska

Ämnesområde: Farkostteknik

Respondent: Hamza Bouchouireb , Teknisk mekanik

Opponent: Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Mario Hirz, Graz University of Technology, Institute of Automotive Engineering

Handledare: Associate Professor Ciarán J. O'Reilly, VinnExcellence Center for ECO2 Vehicle design, Linné Flow Center, FLOW; Professor Peter Göransson, VinnExcellence Center for ECO2 Vehicle design, Strömningsmekanik och Teknisk Akustik; Professor Rupert J. Baumgartner, University of Graz, Institute of Systems Sciences Innovation & Sustainability Research, Austria.; Professor José Potting, Hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik

Exportera till kalender

QC 230127

Abstract

Denna avhandling behandlar frågeställningen hur lätta fordons miljöpåverkan, utvärderad på en hög system-nivå, kan minskas genom livscykelbaserad energioptimering och integrerad designtänkande. I centrum för arbetet står metoden för Life Cycle Energy Optimisation (LCEO) som söker minsta mängden kumulativ energi, sett över ett fordons livscykel, under beaktande av uppsatta funktionella bivillkor. Optimeringsproblemet balanserar energibehovet i olika faser och undviker i och med detta sub-optimala lösningar sett mellan olika delar av livscykeln. LCEO-metoden utvecklas och utvidgas i detta arbete som utgör ett väsentligt steg mot en komplett designprincip och riktlinjer för hur denna kan tillämpas på ett effektivt sätt.

Ett av avhandlingens bidrag till LCEO-metodens utveckling berör frågeställningen kring hur omhändertagandet av ett uttjänt fordon och dess komponenter, här sammanfattat i det engelska begreppet End-of-Life (EOL), kan integreras i energibalansen. En EOL-modell, baserad på återanvändning med en korrektionsfaktor, används för att uppskatta återvunnen och förbrukad energi i EOL-processen. Ett flertal EOL-scenarier, med varierande grad av försämrade egenskaper i återvunna material, har definierats och jämförts med de två ytterligheterna deponi och förbränning med energiåtervinning. Resulterande optimala designlösningar visar som förväntat hur de olika EOL-scenarierna påverkar vilka material som används, men att det även uppstår avvägningar mellan materialens funktion och en rumslig påverkan i form av den volym som de upptar.

Denna koppling, mellan å ena sidan en optimal användning av material (inklusive återvunna med förändrade egenskaper) och å andra sidan allokering av volym, har studerats genom att utvidga LCEO-metoden med funktionella krav relaterade till aerodynamiska egenskaper. För att möjliggöra detta föreslår avhandlingen en ny strategi för allokering av den energi som krävs för att övervinna ett fordons luftmotstånd. Denna strategi ger tillsammans med en parametriserad fordonsmodell möjligheter att inkludera så kallade dominoeffekter i LCE-balansen som härrör från aerodynamiskt motiverade designlösningar. 

Denna utvidgning möjliggjorde en unik studie av en komplett aero-struktur-livscykelbaserad optimering av ett subsystem hos ett fordon, där dessutom hänsyn tas till de ingående materialens cirkularitetspotential. Studien visar på en stark koppling i LCEO-mening, mellan ett fordons yttre form, och därmed dess aerodynamiska egenskaper, och de ingående materialen, inklusive deras EOL prestanda.

LCEO lösningar jämfördes under arbetets gång med motsvarande konfigurationer från dels rena lättvikts- och dels rena aerodynamikoptimerade analyser. De LCE-optimala lösningarna skiljer sig markant från respektive mono-disciplinära designer. De har upp till 20% lägre energi, genom att vara större, tyngre och mer aerodynamiska än motsvarande lättviktsdesign, och genom att vara kortare och lättare än motsvarande aerodynamikbaserad design.

Elektrifieringen av transportsystemet har introducerat nya funktionella krav på ett fordon i form av räckvidd och återvinning av batterier. För att möjliggöra studier av dessa, implementerades en lösning för problem med heltal och olinjär programmering i LCEO. I denna inkluderades variabler beskrivande batteristorlek och antal batterier som behövs för en hel livscykel, där batteristorleken modellerades på senare generationer av elfordon i drift. Till detta introducerades tre olika typer batterier, med tillhörande EOL-scenarier, nämligen NMC, LFP och LCO. 

Resultaten från genomförda kopplade aero-struktur-batteri LCE-optimeringar visar att valet av teknologi för batterierna och deras respektive återvinningspotential, har en stark påverkan på såväl den totala miljöpåverkan i LCEO-mening, batteristorleken och antalet batterier som krävs över en livscykel som den resulterande optimala aerodynamiska formen. Som exempel, ändringar i batterikompositionen resulterade i upptill 12.5% variation i luftmotstånd, medan olika former av batteriåtervinning kan ge i medeltal 32%-iga minskningar av LCE.

Arbetet med LCEO-metoden kompletterades slutligen med en studie av robust design och kvantifiering av osäkerhet, för att utvärdera känsligheten hos den optimala lösningen i sig. För detta syfte ändrades optimeringsproblemet från deterministiskt till stokastiskt, och materialegenskaperna antogs vara representerade av statiska fördelningar. Lösningen baserades på en så kallad Multilevel Monte Carlo (MLMC) metod. De robusta designkonfigurationerna är signifikant annorlunda jämfört med de deterministiska och påverkade av gjorda EOL-scenario antaganden. Som en del av detta arbete utvärderades även prestanda hos MLMC metoden i sig och jämfördes med en Monte Carlo-baserad lösning. MLMC befanns vara överlägsen för den typ av osäkerhetsanalys som studerats här.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-323335