Simulation and optimization of electric and hybrid vehicles with two-speed transmissions

Electrification and hybridization of fleet vehicles is of interest to businessesand governments due to the potential for cost savings and reduction of harmfulemissions. There are many possible configurations for such vehicles, from full batteryelectric vehicles, to series, parallel and power-split hybrids. Electric vehicles andseries hybrid vehicles are the focus of this research. Both these types of vehicletypically use a single speed gear reduction to allow for high speed motors. Howeverperformance and efficiency gains may be possible using a two-speed transmissionsystem. Through simulation, this project aims to determine optimized configurationsfor Class 4 delivery vehicles using a two-speed transmission. An in-service hybriddelivery truck, an Azure Dynamics Balance Hybrid, was tested to obtain baselineperformance and fuel economy results. These results were analyzed and used to refineparameter specifications and operating maps for the simulation vehicles. Simulationsof the different architectures were created using commercial software and preliminarycomponent sizing was completed using various methodologies. Two-speed transmissionswere added and all systems were optimized using the DIRECT and geneticoptimization algorithms with respect to both component sizing and hybrid systemcontrol, leading to improved vehicle performance. The advantages of a two-speed ordirect-drive system over a single-speed gearbox were significant. Future cost analysisis recommended to determine which system will be best for production applications.Les véhicules électriques et hybrides deviennent des options de plus en plus intéressantespour les flottes de véhicules des entreprises et des gouvernements afin deréduire les couts d'opération et les émissions de gaz à effet de serre. Il existe plusieursconfigurations possibles pour ces véhicules avancés; des véhicules complètement électriques,des hybrides de type série, des hybrides de type parallèle, et des hybrides mixtes.Cette recherche se penche sur les véhicules complètement électriques et les hybridesde type série. Ces deux types de véhicules utilisent souvent un engrenage fixe pourréduire la vitesse du moteur avant de transférer le mouvement aux roues. Cependant,la performance pourrait être améliorée avec une transmission à deux rapports. Avecl'utilisation des simulations, ce projet vise à déterminer la configuration optimale d'unvéhicule de livraison de classe 4. Un camion actuellement en service, le Balance Hybridde Azure Dynamics, a été testé pour obtenir des résultats de base pour la performanceet le rendement énergétique. Ces résultats ont été analysés et utilisés pour raffiner lesspécifications des véhicules simulées. Les modèles numériques des véhicules ont étécréés avec des logiciels commerciaux et les composantes ont été dimensionnées. Enfin,les véhicules ont été optimisés avec les algorithmes DIRECT et génétique. Les résultatsdémontrent que les systèmes à transmission direct et à deux rapports possèdent un avantageen efficacité par rapport aux systèmes avec réduction fixe