Diss. ETH No. 22216
ENERGY MANAGEMENT OF
HYBRID ELECTRIC VEHICLES
A thesis submitted to attain the degree of
Doctor of Sciences of ETH Zurich
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Tobias Nüesch
MSc ETH in Mechanical Engineering
born on August 20, 1985
citizen of Balgach SG, Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Lino Guzzella, examiner
Prof. Dr. Sergio M. Savaresi, co-examiner
Dr. Rüdiger Steiner, co-examiner
2014
Abstract
Increasing the energy efficiency of road vehicles is key to reduce global
carbon dioxide emissions originating from road transportation. Hybrid
electric vehicles are seen as a viable approach to improve the conventional
technology. However, the combination of an internal combustion engine
with at least one electric motor and a battery results in a complex system
which has to be operated in an optimal way to achieve the lowest possible
amount of carbon dioxide emissions or, equivalently, to minimize the fuel
consumption. The operation of the vehicle, commonly known as the energy
management, was subject to the research that led to this thesis.
First, new methods for the computation of optimal non-causal strategies
were investigated. As a result, an alternative to the dynamic programming
method was developed. The method combines convex optimization with
dynamic programming such that the optimal control problem can be solved
up to 98% faster while the accuracy of the solution is maintained even in
the presence of state constraints.
During investigations in causal energy management, an existing method
was extended to develop a novel strategy for the control of a diesel hybrid
electric vehicle. This causal strategy simultaneously controls the nitrogen
oxide emissions and the battery state of charge, while the fuel consumption
is minimized for arbitrary driving cycles. In experimental and simulative
tests, the validity of the claims were supported. Moreover, the controller
is simple to tune, and the strategy proved to be robust. The method is
suitable for charge-sustaining as well as for plug-in hybrid electric vehicles.
Zusammenfassung
Die Steigerung des Wirkungsgrads von Strassenfahrzeugen ist der Schl üssel
zur Reduktion der im Strassentransport ausgestossenen globalen Kohlenstoffdioxidemissionen. Hybridelektrofahrzeuge werden dabei als praktikabler Ansatz zur Verbesserung der konventionellen Technologie angesehen. Die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem oder mehreren
Elektromotoren und einer Batterie führt jedoch zu einem komplexen System, welches optimal betrieben werden muss, um die Kohlenstoffdioxidemissionen, oder äquivalent den Kraftstoffverbrauch, maximal zu reduzieren. Der Betrieb eines solchen Fahrzeugs, gemeinhin als Energiemanagement bezeichnet, bildete den Kern der Forschungstätigkeit, die zu dieser
Arbeit führte.
Zuerst wurden Verfahren zur Berechnung von optimalen, nicht-kausalen
Strategien untersucht. Gefunden wurde ein alternatives Verfahren zur Dynamischen Programmierung. Das Verfahren kombiniert Konvexe Optimierung mit der Dynamischen Programmierung, so dass das Optimalsteuerungsproblem unter Beibehaltung der Genauigkeit auch bei Zustandsbeschränkungen bis zu über 98% schneller gelöst werden kann.
Bei Untersuchungen zu kausalen Energiemanagementstrategien wurde ein
bekanntes Verfahren erweitert, um eine neue Strategie zur Regelung eines
Diesel-Hybridelektrofahrzeugs zu entwickeln. Die neue, kausale Strategie
regelt simultan die Stickoxide und den Batterieladestand und minimiert
dabei den Kraftstoffverbrauch für beliebige Fahrzyklen. Dies konnte experimentell und simulativ nachgewiesen werden. Der Regler ist einfach zu
parametrieren und die Strategie erweist sich als robust. Die Methode kann
sowohl für ladungserhaltende als auch für extern nachladbare Hybridelektrofahrzeuge angewandt werden.

ENERGY MANAGEMENT OF HYBRID ELECTRIC VEHICLES