Master's Thesis

Design of an innovative hybrid four-wheel drive system with variable gear ratio

Final Thesis 8.66 MB

Author of thesis: Ing. Jiří Švestka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Matěj Poulíček

Reviewer: prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis addresses the key domain of vehicle hybridization, with a primary focus on the design of a comprehensive hybrid powertrain system. It provides a detailed examination of the application of hybrid technologies in contemporary vehicles, including the components employed in such systems. Particular emphasis is placed on the conceptual design of the hybrid powertrain and its subsequent simulation within the GT-Suite
environment. The thesis presents a proposed configuration of a hybrid propulsion system, which is further subjected to optimization procedures, accompanied by a critical evaluation of the effectiveness and performance of the developed solution.

Keywords:

Hybrid vehicle, HEV, series-parallel hybrid, powertrain, GT-Suite

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta. Otázky oponenta: 1. V práci uvádíte, že původní koncepce nebyla vhodná pro dlouhodobou jízdu vyšší rychlostí, protože by docházelo k vybíjení baterie. Jaká konkrétní konstrukční nebo řídicí změna by podle vás umožnila zachovat původní koncepci se dvěma elektromotory? - Zodpovedané 2. Které vstupní parametry modelu v GT-Suite mají podle vás největší vliv na výslednou spotřebu paliva a jak byste provedl jejich citlivostní analýzu? - Zodpovedané 3. Jak byste navrženou koncepci validoval na reálném vozidle nebo zkušebním stavu? Které veličiny by bylo nutné měřit, aby bylo možné ověřit správnost modelu? - Zodpovedané Následně odpovídal na otázky členů zkušební komise: 1. Kto používa tri elektromotory v hybridnom vozidle? - Zodpovedané 2. Nemá použitá koncepcia vplyv na životnosť spaľovacieho motora? - Zodpovedané 3. K akému poškodeniu môže dôjsť na hlave motora? - Zodpovedané 4. Atkinsonov cyklus. - Čiastočne zodpovedané

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automotive and Material Handling Engineering (N-ADI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Lubomír Klimeš, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Marek Slovák (člen)
Ing. Zdeněk Novosad (člen)
doc. Ing. Zdeněk Kaplan, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Matěj Poulíček

Diplomová práce se zabývá návrhem sériovo-paralelního hybridního pohonu s variabilním převodovým poměrem realizovaným planetovým soukolím a jeho ověřením v programu GT-Suite. Student k práci přistupoval svědomitě a samostatně. Rešeršní část je přehledná, opírá se o kvalitní a aktuální literaturu a tvoří dobrý základ pro vlastní řešení. Student prokazuje schopnost pracovat s náročným simulačním nástrojem a kriticky vyhodnocovat výsledky. Lze ocenit, že nalezené problémy student identifikoval a otevřeně popsal. 

Za diskutabilní však považuji argumentaci, proč byla opuštěna původní koncepce dle zadání. Student tvrdí, že uspořádání se dvěma elektromotory na obou nápravách „nemůže fungovat". Vlastní data přitom naznačují, že na neúnosně vysoké spotřebě původní verze (přes 10 l/100 km) se výrazně podílelo nevhodné nastavení — zejména úzký rozsah převodu — neboť po úpravách v kap. 5.6 spotřeba klesla na realistických 6,4 l/100 km. Skutečné omezení topologie (reakční moment uzavírající se přes vozovku) tak není v práci odděleno od vlivu nedotaženého nastavení ani kvantitativně podloženo. Upravená koncepce je funkční, působí však jako rychlé náhradní řešení.

Práci doporučuji k obhajobě s hodnocením C
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: C

Diplomová práce Bc. Jiřího Švestky s názvem „Návrh inovativního hybridního pohonu všech čtyř kol s variabilním převodovým poměrem“ se zabývá návrhem hybridního pohonného ústrojí osobního vozidla s pohonem všech kol a jeho simulací v prostředí GT-Suite. Téma je aktuální, protože hybridizace zůstává jednou z prakticky využitelných cest ke snižování spotřeby paliva a emisí CO₂, zejména u vozidel, kde úplná elektrifikace nemusí být vždy optimálním řešením.

Rešeršní část práce přehledně shrnuje základní typy hybridních pohonů, možnosti úprav spalování, komponenty elektrifikovaného pohonu a vybraná převodová ústrojí hybridních vozidel. Rozsah rešerše odpovídá tématu práce, místy však působí spíše popisně. Hlubší kritické porovnání existujících sériově vyráběných hybridních převodovek, zejména z hlediska účinnosti, řiditelnosti, zástavby, ceny a provozních režimů, mohlo být podrobnější.

Za hlavní přínos práce lze považovat vlastní návrh hybridní koncepce, sestavení simulačního modelu v GT-Suite a následné hledání funkčního řešení převodového a energetického toku. Autor se pokusil navrhnout poměrně komplexní systém kombinující spalovací motor, motorgenerátory, trakční baterii, planetové soukolí a pohon obou náprav. Pozitivně hodnotím, že práce nezůstala pouze u rešerše, ale obsahuje vlastní model, úpravy koncepce a porovnání výsledků.

Významným omezením práce je skutečnost, že původně navržená koncepce nebyla plně funkční ve všech provozních režimech a musela být zásadně upravena. Autor sám uvádí, že u původní koncepce vznikal problém s tokem výkonu a znaménkem momentu na pneumatikách, což by v praxi vedlo k nemožnosti dlouhodobé jízdy vyšší rychlostí bez vybíjení baterie. Upravená koncepce s celkem třemi elektromotory dosáhla lepších výsledků, ale současně se již od původní koncepce i od zadání částečně odlišuje. Tento postup je z hlediska hledání funkčního řešení pochopitelný, měl však být doplněn hlubším rozborem, proč původní architektura selhala a jaké konstrukční úpravy by byly nutné pro její reálné použití.

Výsledky nelze chápat jako ověření konkrétního realizovatelného pohonu, ale spíše jako koncepční simulační studii. U simulační práce tohoto typu by bylo vhodné provést citlivostní analýzu hlavních parametrů, například hmotnosti vozidla, kapacity baterie, stálého převodu, parametrů planetového soukolí, účinnosti elektromotorů a strategie zapínání spalovacího motoru.

Problematická je také interpretace praktické realizovatelnosti navrženého řešení. Práce sice uvádí spotřebu a základní provozní výsledky, ale méně se věnuje konstrukční proveditelnosti, zástavbě tří elektromotorů, chlazení, řízení výkonové elektroniky, dimenzování baterie, mechanickému namáhání planetového soukolí a ekonomickému zhodnocení. Přitom právě cena, složitost a hmotnost jsou u takto komplexního hybridního ústrojí klíčové parametry. Vzhledem k tomu, že zadání zmiňuje i náklady, očekával bych alespoň základní srovnání s jednoduššími hybridními nebo elektrickými koncepcemi pohonu všech kol.

Formální úroveň práce je celkově dobrá. Text je logicky členěn, grafická úroveň je přijatelná a práce obsahuje dostatek schémat a grafických výstupů. V textu se však vyskytují dílčí stylistické a jazykové nedostatky, místy nepřesné formulace a některé závěry jsou formulovány obecněji, než by odpovídalo rozsahu provedených simulací. Pozitivně hodnotím transparentní uvedení podpůrného využití generativní umělé inteligence.

Cíle práce lze považovat za splněné. Autor provedl rešerši, navrhl hybridní koncepci, vytvořil simulační model a vyhodnotil jeho chování. Výsledky mají hodnotu jako koncepční studie a výchozí podklad pro další vývoj. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory D
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Které vstupní parametry modelu v GT-Suite mají podle vás největší vliv na výslednou spotřebu paliva a jak byste provedl jejich citlivostní analýzu?
  2. V práci uvádíte, že původní koncepce nebyla vhodná pro dlouhodobou jízdu vyšší rychlostí, protože by docházelo k vybíjení baterie. Jaká konkrétní konstrukční nebo řídicí změna by podle vás umožnila zachovat původní koncepci se dvěma elektromotory?
  3. Jak byste navrženou koncepci validoval na reálném vozidle nebo zkušebním stavu? Které veličiny by bylo nutné měřit, aby bylo možné ověřit správnost modelu?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová