Des technologies avancées sont très demandées dans l'industrie automobile pour respecter les réglementations de consommation de carburant de plus en plus rigoureuses. La co-optimisation du dimensionnement et du contrôle des groupes motopropulseurs avec une efficacité de calcul améliorée est étudiée dans cette thèse.Les composants des groupes motopropulseurs, tels que le moteur, la batterie et le moteur électrique, sont modélisés analytiquement au niveau descriptif et prédictif afin de permettre une optimisation du contrôle rapide et une optimisation du dimensionnement scalable. La consommation d'énergie minimale des véhicules hybrides-électriques est évaluée par des nouvelles méthodes optimales. Ces méthodes – y compris Selective Hamiltonian Minimization et GRaphical-Analysis-Based energy Consumption Optimization – permettent d'évaluer une consommation minimale d'énergie avec une efficacité de calcul améliorée. De plus, la méthode de Fully-Analytic energy Consumption Evaluation (FACE) approxime la consommation d'énergie minimale sous forme analytique en fonction des caractéristiques de la mission et des paramètres de conception des composants du groupe motopropulseur. Plusieurs cas d’études sont présentées en détail par rapport aux approches de co-optimisation à bi-niveaux et à uni-niveau, ce qui montre une réduction efficace du temps de calcul requis par le processus global de co-optimisation. / Advanced technologies are highly demanded in automotive industry to meet the more and more stringent regulations of fuel consumption. Cooptimization of design and control for vehicle propulsion systems with an enhanced computational efficiency is investigated in this thesis.Powertrain components, such as internal combustion engines, batteries, and electric motor/generators, are analytically modeled at descriptive and predictive level correspondingly for the development of fastrunning control optimization and for the scalability of design optimization. The minimal fuel consumption of a hybrid-electric vehicle is evaluated through novel optimization methods. These methods – including the Selective Hamiltonian Minimization, and the GRaphical-Analysis-Based energy Consumption Optimization – are able to evaluate the minimal energy consumption with the enhanced computational efficiency. In addition, the Fully-Analytic energy Consumption Evaluation method approximates the minimal energy consumption in closed form as a function of the mission characteristics and the design parameters of powertrain components.A few case studies are presented in details via the bi-level and uni-level co-optimization approaches, showing an effective improvement in the computational efficiency for the overall co-optimization process.

The electric vehicle segments of companies have broadened, and their sales have increased in the past decade. The electric motorcycle sector is growing fast, with improved technology on electric powertrains, increased ranges, charging speeds, and infrastructure. Parallel to the increased sales, the electric battery sector is advancing rapidly, thereby lowering the environmental impacts of these vehicles. The competitive adventure sports sector also benefits from using electric powertrains with their incredible power-to-weight ratio and instant torque. The benefits of using electric vehicles over conventional ones can be seen during the use phase, with zero tailpipe emissions and clean, silent riding.   However, with the expansion of the electric motorcycle sector rolling out new technologies and models, there are uncertainties about whether the overall lifecycle has reduced impacts on the environment. Finding and improving the most sustainable model(s) or solution(s) implies scrutinizing the effects of these motorcycles on the environment, which is the goal of CAKE 0 Emission AB, a Swedish lightweight electric motorbike manufacturer.   The current project will assess the potential environmental impacts of Kalk&, an off-road electric motorcycle model certified for on-road use, designed, and manufactured by CAKE 0 Emission AB. For this purpose, Attributional Life Cycle Assessment was chosen as the method to study the impact of one whole motorbike over a lifetime of 500 battery charging cycles, used by a hypothetical example user in Stockholm, Sweden. The potential environmental impacts are focused on 12 categories using the ReCiPe Midpoint (H) method.   As expected from an electric vehicle, the results show that the impacts mainly stem from the manufacturing phase of the motorbike. The hotspots in the manufacturing phase arise from producing the battery, the electric motor, and the electrical components like lights, the charger, and cables. The materials used for construction that have a high share of impact are Copper and Aluminium. Another environmental hotspot is the casting manufacturing process. Within the vehicle use phase, the impact of using solar energy in Sweden for charging the batteries is not immediately intuitive and has shown to be higher than the Swedish electricity board mix; the results argue that the choice of electricity is vital in reducing emissions. Transporting the vehicle overseas by ship instead of by flight decreases emissions by about 82% to 97% within the various impact categories.   A sensitivity scenario was created for a hypothetical user in Barcelona, Spain, to better understand the influence of the selected lifetime and user behavior on the impacts. The results indicate that using an additional battery and thereby increasing the lifetime of the vehicle shows a 34% decrease in emissions per km driven within the lifetime of the motorcycle. Lastly, it is recommended whenever possible to source the numerous components of the vehicle closer to the assembly unit to reduce the transportation impacts incurred from transoceanic freight. / Företagens elfordonssegment har breddats och deras försäljning har ökat under det senaste decenniet. Den elektriska motorcykelsektorn växer snabbt, med förbättrad teknik på elektriska drivlinor, ökade räckvidder, laddningshastigheter och infrastruktur. Parallellt med den ökade försäljningen går elbatterisektorn snabbt framåt, vilket minskar miljöpåverkan från dessa fordon. Den konkurrensutsatta äventyrssportsektorn drar också nytta av att använda elektriska drivlinor med deras otroliga kraft-till-vikt-förhållande och omedelbara vridmoment. Fördelarna med att använda elfordon framför konventionella kan ses under användningsfasen, med noll avgasutsläpp och ren, tyst körning.  Men med expansionen av elmotorcykelsektorn som rullar ut nya tekniker och modeller, finns det osäkerheter om huruvida den övergripande livscykeln har minskat miljöpåverkan. Att hitta och förbättra de mest hållbara modellerna eller lösningarna innebär att man granskar dessa motorcyklars effekter på miljön, vilket är målet för CAKE 0 Emission AB, en svensk lättviktstillverkare av elmotorcykel.  Det aktuella projektet kommer att bedöma de potentiella miljöeffekterna av Kalk&, en terrängmodell av elektrisk motorcykel certifierad för användning på väg, designad och tillverkad av CAKE 0 Emission AB. För detta ändamål valdes Attributional Life Cycle Assessment som metoden för att studera effekten av en hel motorcykel under en livstid på 500 batteriladdningscykler, som används av en hypotetisk exempelanvändare i Stockholm, Sverige. Den potentiella miljöpåverkan är fokuserad på 12 kategorier med hjälp av metoden ReCiPe Midpoint (H).  Som förväntat av ett elfordon visar resultaten att effekterna huvudsakligen härrör från motorcykelns tillverkningsfas. Hotspots i tillverkningsfasen uppstår från att producera batteriet, elmotorn och de elektriska komponenterna som lampor, laddare och kablar. De material som används för konstruktion som har en hög andel av påverkan är koppar och aluminium. En annan miljömässig hotspot är tillverkningsprocessen för gjutning. Inom fordonsanvändningsfasen är effekten av att använda solenergi i Sverige för att ladda batterierna inte direkt intuitiv och har visat sig vara högre än den svenska elkortsmixen; resultaten talar för att valet av el är avgörande för att minska utsläppen. Att transportera fordonet utomlands med fartyg istället för med flyg minskar utsläppen med cirka 82% till 97% inom de olika påverkanskategorierna.  Ett känslighetsscenario skapades för en hypotetisk användare i Barcelona, Spanien, för att bättre förstå inverkan av den valda livslängden och användarbeteendet på effekterna. Resultaten indikerar att användning av ett extra batteri och därmed ökad livslängd på fordonet visar en 34% minskning av utsläppen per körd km under motorcykelns livslängd. Slutligen rekommenderas det när det är möjligt att köpa de många komponenterna i fordonet närmare monteringsenheten för att minska transportpåverkan från transoceanisk frakt.  Note: The abstract has been translated to Swedish from English using Google Translate

The automotive and heavy-duty trucking industries are heading towards research and development of alternative powertrain solutions to meet the United Nations sustainability goals and cleaner solutions to aid climate change actions. This thesis project aligns with the vision of finding greener and sustainable modes of transport in the heavy long haulage trucking industry. This project aims to find and develop a method for creating drive cycles, getting the vehicular power requirements to drive on these selected routes and finally calculating the TCO of a vehicle. The scripts for these mentioned steps are developed in MATLAB. The approach used in this work could help both the vehicle manufacturer and the vehicle operator to predict or cater to upcoming customer demand on, in our case, routes pan EU, to receive information about energy, power and vehicular configuration needed to fulfil the mission, and also, optimize the powertrain configuration in collaboration with a parallel thesis work done here at Scania, and finally calculate a somewhat simplified TCO of the vehicle.  In this work, two different driving conditions has been used; summer or winter, and two different payload conditions, as well as two types of vehicle powertrains; FCEV and BEV. Finally, a comparison regarding TCO for FCEV and BEV has been done. / Fordonsindustrin, inklusive den kommersiella lastbilsindustrin, driver utvecklingen av alternativa drivlinor för att kunna uppfylla FN:s hållbarhetsmål kring miljövänligare lösningar, nödvändiga för att stödja det globala klimatarbetet. Detta examensarbete utgår från visionen att hitta miljövänligare fordonstyper inom den kommersiella lastbilssektorn. Detta projekt siktar på att utveckla och använda metoder för att kunna ta fram relevanta körcykler, fastställa nödvändig framdrivningseffekt för att fordonen ska kunna köra på utvalda rutter, samt att beräkna total ägandekostnad (TCO) för fordonsoperatören.  Skripten för dessa nämnda steg har utvecklats i MATLAB inom projektet. Tillvägagångssättet som har använts i detta arbete kan hjälpa både fordonstillverkare och fordonsoperatörer att förutspå framtida krav. I vårt fall har information om nödvändig energimängd, effekt och komponentkonfiguration, inklusive drivlineoptimering, tagits fram för rutter inom EU, tillsammans med ett parallellt examensarbete som också utförts på Scania. Slutligen beräknades den totala ägandekostnaden (TCO) för kunden.  I detta arbete har två olika användarfall analyserats; sommar och vinter, för två olika nyttolaster, samt två typer av drivlinor; FCEV och BEV. Slutligen, har en jämförelse gjorts gällande TCO för FCEV och BEV.

Steel production is today one of the most CO2-demanding activities and causes 8% of the global emissions of GHG. It is crucial for the industry to reduce its emissions radically in order to be in line with the goals of the Paris Agreement and the Science-Based Target initiative. Ovako AB, one of the leading producers of high-strength engineering steel, has been at the forefront when it comes to sustainability initiatives within the industry. Heavy investments are being made into sustainable steel production methods and technologies and to make this viable, the company has, from January 1st, 2022, started to put a price premium on their steel products of 30 € per tonne. This study aims to answer the question of how Ovako's customers, based on the three different industries of mining, automotive, and bearing, experience this price premium and how a green steel can justify this surcharge. Furthermore, this case study aims to understand the extent to which those customers require carbon neutrality when sourcing steel. Connected to the findings from the innovation theories and the literature, this study aims to answer the question of how sustainable innovations may influence future competitiveness regarding engineering steel. To answer these questions, interviews with key individuals from different customers of Ovako were conducted. Moreover, focus groups at Ovako with relevant employees have been held at the same time as a literature study has been conducted. Based on the answers obtained from the data collection, a thematic analysis has been performed where overarching themes have been identified. Additionally, a carbon impact calculator has been used to calculate the carbon reduction potential of using a carbon-neutral engineering steel in three different applications connected to the three industries investigated, namely a complete bearing, a drill bit, and a final drive unit. The results from the calculations as well as the answers obtained regarding the research questions will be presented in the conclusion chapter of the report.

The recent climate actions to reduce greenhouse gas (GHG) emissions have set the stage for decarbonizing the transportation sector through electrification, which has led to a surge in the deployment of battery electric vehicles (BEV). Trucks are no exception, which has led automakers to shift their focus toward producing Battery Electric Trucks (BET). While tail-pipe emissions are reduced drastically, certain aspects of BET prevent its widespread deployment, prominent of which is the range anxiety. The range of a BET is heavily impacted in cold weather as energy from traction batteries is also used to warm the battery pack and cabin, where 70% of cabin airflow at minimum is continually expelled through exhaust vents for proper ventilation. In this study, three heat recovery techniques were investigated with the objective of harnessing the waste heat from evacuating cabin air to reduce the heating energy consumption in a BET. One proposed technique employs the use of an air-to-air heat recovery system (AAHRS). Baseline experiments were conducted on a SCANIA test truck for benchmarking and to gather data on the performance of the installed HVAC system, which aided the prototyping stage of basic engineering design to ensure it is operable and safe. The prototype was modelled in CATIA, then fabricated and fitted to the test-truck. Validation experiments were done to evaluate the energy savings from the prototype in a climate chamber at various ambient temperature and fan speed settings. The study found a 20-53% reduction in the heat dissipated by the coolant with the implementation of AAHRS, which is beneficial in reducing the energy that need to be replenished by electric batteries for a BET. In contrast, the electrical power consumption increased 1.7-3.3 times higher than the baseline due to the additional power-consuming components, such as the exhaust blower and heat wheel motor. Moreover, the preheating effect from the heat wheel operation enabled the increase of HVAC air intake temperature by 7-28°C from ambient levels. Overall, the energy savings from integrating the AAHRS prototype was about 19-47% considering the coolant heat was produced from an electric heater as was simulated in the tests, whereas the range was estimated to reduce by17-39% if an automotive heat pump would instead deliver the heat into the cab heater core. Two other presented techniques operate on air-to-liquid heat recovery system (ALHRS), whereby each is envisioned to be coupled separately to a heat pump assisted integrated thermal management system (ITMS). One scheme recovers heat from the evacuating cabin air to raise the chiller coolant inlet temperature, whereas the other scheme proposes to adopt a multi-evaporation process in the concept liquid-cooled heat pump, wherein the evacuating cabin air serves as the direct heat source for the higher temperature-chiller. The two schemes were initially evaluated via vapor compression system performance analysis to have the potential to increase the condensation heat and condenser coolant outlet temperature with simultaneous increase in the coefficient of performance, which is beneficial in terms of available heat that can be dissipated into the downstream battery cold plates and cab heater core. As initial step towards assessment of the energy-saving potential of proposed ALHRS solutions, a simulation model of an adopted baseline ITMS concept was developed in this study using Engineering Equation Solver (EES) software, which then was validated against internal bench test results for a mock-up ITMS model. Results of initial validation test indicated an absolute error between the simulation outputs and bench test results of 8-14% for condensation heat, while it was below 7% for all the other relevant performance parameters. / De senaste klimatåtgärderna för att minska utsläppen av växthusgaser (GHG) har satt scenen för att minska koldioxidutsläppen inom transportsektorn genom elektrifiering, vilket har lett till en kraftig ökning av utbyggnaden av batterielektriska fordon (BEV). Lastbilar är inget undantag, vilket har fått biltillverkare att flytta fokus mot att producera batterielektriska lastbilar (BET). Medan utsläppen från avgasröret minskar drastiskt, förhindrar vissa aspekter av BET dess utbredda distribution, varav framträdande är räckviddsångesten. Räckvidden för en BET påverkas kraftigt i kallt väder eftersom energi från dragbatterier också används för att värma batteripaketet och kabinen, där minst 70% av kabinluftflödet kontinuerligt släpps ut genom avgasventiler för korrekt ventilation. I denna studie undersöktes tre värmeåtervinningstekniker med målet att utnyttja spillvärmen från evakuering av kabinluft för att minska värmeenergiförbrukning i en BET. En föreslagen teknik använder användning av ett luft-till-luft-värmeåtervinningssystem (AAHRS). Baslinjeexperiment utfördes på en SCANIA-testbil för benchmarking och för att samla in data om prestandan hos det installerade HVAC-systemet, vilket hjälpte prototypstadiet för grundläggande teknisk design för att säkerställa att det är funktionsdugligt och säkert. Prototypen modellerades i CATIA, tillverkades sedan och monterades på testbilen. Valideringsexperiment utfördes för att utvärdera energibesparingarna från prototypen i en klimatkammare under olika inställningar för omgivningstemperatur och fläkthastighet. Studien fann en 20-53% minskning av värmebelastningen med implementeringen av AAHRS, vilket är fördelaktigt för att minska energin som behöver fyllas på av elektriska batterier för en BET. Däremot ökade den elektriska strömförbrukningen 1.7-3.3 gånger högre än baslinjen på grund av ytterligare strömförbrukande komponenter, såsom avgasfläkten och värmehjulsmotorn. Dessutom möjliggjorde förvärmningseffekten från värmehjulsdrift ökningen av HVAC-luftintagstemperaturen med 7-28°C från omgivande nivåer. Sammantaget var energibesparingarna från att integrera AAHRS-prototypen cirka 19-47% med tanke på att kylvätskevärmen producerades från elektrisk värmare som simulerades i experimenten, medan detta intervall uppskattades minska ner till 17-39% om en bilvärmepump istället skulle leverera värmen till hyttvärmarkärnan. Två andra presenterade tekniker fungerar på luft-till-vätska värmeåtervinningssystem (ALHRS), där var och en är tänkt att kopplas separat till ett värmepumpassisterat integrerat värmehanteringssystem (ITMS). Det ena schemat återvinner värme från den evakuerande kabinluften för att höja kylvätskeinloppstemperaturen, medan det andra schemat föreslår att man antar en multiindunstningsprocess i konceptet vätskekyld värmepump, där den evakuerande kabinluften fungerar som den direkta värmekällan för kylaggregatet med högre temperatur. De två scheman utvärderades initialt via ångkompressionssystemets prestandaanalys för att ha potential att öka kondensationsvärmen och kondensorns kylvätskeutloppstemperatur med samtidig ökning av prestandakoefficienten, vilket är fördelaktigt när det gäller tillgänglig värme som kan avledas i nedströms batteriets kylplattor och hyttvärmarens kärna. Som ett första steg mot en bedömning av energibesparingspotentialen hos föreslagna ALHRS-lösningar utvecklades en simuleringsmodell av ett antaget baslinje-ITMS-koncept i denna studie med hjälp av Engineering Equation Solver (EES) -programvara, som sedan validerades mot interna bänktestresultat för en mock-up ITMS-modell. Resultaten av det inledande valideringstestet indikerade ett absolut fel mellan simuleringsutgångarna och provbänksresultaten på 8–14% för kondensationsvärme, medan det var under 7 % för alla andra relevanta prestandaparametrar.