Application of virtual certification techniques to vehicle design and track maintenance

Virtual certification partially substitutes by computer simulations the experimental techniques required for rail vehicle certification. In this paper, several works were these techniques were used in the vehicle design and track maintenance processes are presented. Dynamic simulation of multibody systems was used to virtually apply the EN14363 standard to certify the dynamic behaviour of vehicles. The works described are: assessment of a freight bogie design adapted to meter-gauge, assessment of a railway track layout for a subway network, freight bogie design with higher speed and axle load, and processing of the data acquired by a track recording vehicle for track maintenance.

Environmental assessment of low speed policies for motor vehicle mobility in city centres

streets in local residential areas in large cities, real traffic tests for pollutant emissions and fuel consumption have been carried out in Madrid city centre. Emission concentration and car activity were simultaneously measured by a Portable Emissions Measurement System. Real life tests carried out at different times and on different days were performed with a turbo-diesel engine light vehicle equipped with an oxidizer catalyst and using different driving styles with a previously trained driver. The results show that by reducing the speed limit from 50 km h-1 to 30 km h-1, using a normal driving style, the time taken for a given trip does not increase, but fuel consumption and NOx, CO and PM emissions are clearly reduced. Therefore, the main conclusion of this work is that reducing the speed limit in some narrow streets in residential and commercial areas or in a city not only increases pedestrian safety, but also contributes to reducing the environmental impact of motor vehicles and reducing fuel consumption. In addition, there is also a reduction in the greenhouse gas emissions resulting from the combustion of the fuel.

Aspectos de la medición dinámica instantánea de emisiones de motores. Aplicación al desarrollo de un equipo portátil y una metodología para estudios de contaminación de vehículos en tráfico real.

Esta Tesis Doctoral se encuadra en el ámbito de la medida de emisiones contaminantes y de consumo de combustible en motores de combustión interna alternativos cuando se utilizan como plantas de potencia para propulsión de vehículos ligeros de carretera, y más concretamente en las medidas dinámicas con el vehículo circulando en tráfico real. En este ámbito, el objetivo principal de la Tesis es estudiar los problemas asociados a la medición en tiempo real con equipos embarcados de variables medioambientales, energéticas y de actividad, de vehículos ligeros propulsados por motores térmicos en tráfico real. Y como consecuencia, desarrollar un equipo y una metodología apropiada para este objetivo, con el fin de realizar consiguientemente un estudio sobre los diferentes factores que influyen sobre las emisiones y el consumo de combustible de vehículos turismo en tráfico real. La Tesis se comienza realizando un estudio prospectivo sobre los trabajos de otros autores relativos al desarrollo de equipos portátiles de medida de emisiones (Portable Emission Measurement Systems – PEMS), problemas asociados a la medición dinámica de emisiones y estudios de aplicación en tráfico real utilizando este tipo de equipos. Como resultado de este estudio se plantea la necesidad de disponer de un equipo específicamente diseñado para ser embarcado en un vehículo que sea capaz de medir en tiempo real las concentraciones de emisiones y el caudal de gases de escape, al mismo tiempo que se registran variables del motor, del vehículo y del entorno como son la pendiente y los datos meteorológicos. De esta forma se establecen las especificaciones y condiciones de diseño del equipo PEMS. Aunque al inicio de esta Tesis ya existían en el mercado algunos sistemas portátiles de medida de emisiones (PEMS: Portable Emissions Measurement Systems), en esta Tesis se investiga, diseña y construye un nuevo sistema propio, denominado MIVECO – PEMS. Se exponen, discuten y justifican todas las soluciones técnicas incorporadas en el sistema que incluyen los subsistema de análisis de gases, subsistemas de toma de muestra incluyendo caudalímetro de gases de escape, el subsistema de medida de variables del entorno y actividad del vehículo y el conjunto de sistemas auxiliares. El diseño final responde a las hipótesis y necesidades planteadas y se valida en uso real, en banco de rodillos y en comparación con otro equipos de medida de emisiones estacionarios y portátiles. En esta Tesis se presenta también toda la investigación que ha conducido a establecer la metodología de tratamiento de las señales registradas en tiempo real que incluye la sincronización, cálculos y propagación de errores. La metodología de selección y caracterización de los recorridos y circuitos y de las pautas de conducción, preparación del vehículo y calibración de los equipos forma también parte del legado de esta Tesis. Para demostrar la capacidad de medida del equipo y el tipo de resultados que pueden obtenerse y que son útiles para la comunidad científica, y las autoridades medioambientales en la parte final de esta Tesis se plantean y se presentan los resultados de varios estudios de variables endógenas y exógenas que afectan a las emisiones instantáneas y a los factores de emisión y consumo (g/km) como: el estilo de conducción, la infraestructura vial, el nivel de congestión del tráfico, tráfico urbano o extraurbano, el contenido de biocarburante, tipo de motor (diesel y encendido provocado), etc. Las principales conclusiones de esta Tesis son que es posible medir emisiones másicas y consumo de motores de vehículos en uso real y que los resultados permiten establecer políticas de reducción de impacto medio ambiental y de eficiencia energética, pero, se deben establecer unas metodologías precisas y se debe tener mucho cuidado en todo el proceso de calibración, medida y postratamientos de los datos. Abstract This doctoral thesis is in the field of emissions and fuel consumption measurement of reciprocating internal combustion engines when are used as power-trains for light-duty road vehicles, and especially in the real-time dynamic measurements procedures when the vehicle is being driven in real traffic. In this context, the main objective of this thesis is to study the problems associated with on-board real-time measuring systems of environmental, energy and activity variables of light vehicles powered by internal combustion engines in real traffic, and as a result, to develop an instrument and an appropriate methodology for this purpose, and consequently to make a study of the different factors which influence the emissions and the fuel consumption of passenger cars in real traffic. The thesis begins developing a prospective study on other authors’ works about development of Portable Emission Measurement Systems (PEMS), problems associated with dynamic emission measurements and application studies on actual traffic using PEMS. As a result of this study, it was shown that a measuring system specifically designed for being on-board on a vehicle, which can measure in real time emission concentrations and exhaust flow, and at the same time to record motor vehicle and environment variables as the slope and atmospheric data, is needed; and the specifications and design parameters of the equipment are proposed. Although at the beginning of this research work there were already on the market some PEMS, in this Thesis a new system is researched, designed and built, called MIVECO – PEMS, in order to meet such measurements needs. Following that, there are presented, discussed and justify all technical solutions incorporated in the system, including the gas analysis subsystem, sampling and exhaust gas flowmeter subsystem, the subsystem for measurement of environment variables and of the vehicle activity and the set of auxiliary subsystems. The final design meets the needs and hypotheses proposed, and is validated in real-life use and chassis dynamometer testing and is also compared with other stationary and on-board systems. This thesis also presents all the research that has led to the methodology of processing the set of signals recorded in real time including signal timing, calculations and error propagation. The methodology to select and characterize of the routes and circuits, the driving patterns, and the vehicle preparation and calibration of the instruments and sensors are part of the legacy of this thesis. To demonstrate the measurement capabilities of the system and the type of results that can be obtained and that are useful for the scientific community and the environmental authorities, at the end of this Thesis is presented the results of several studies of endogenous and exogenous variables that affect the instantaneous and averaged emissions and consumption factors (g/km), as: driving style, road infrastructure, the level of traffic congestion, urban and extra-urban traffic, biofuels content, type of engine (diesel or spark ignition) etc. The main conclusions of this thesis are that it is possible to measure mass emissions and consumption of vehicle engines in actual use and that the results allow us to establish policies to reduce environmental impact and improve energy efficiency, but, to establish precise methodologies and to be very careful in the entire process of calibration, measurement and data post-treatment is necessary.

Evaluation of the Magnetic Field Generated by the Inverter of an Electric Vehicle

In hybrid and electric vehicles, passengers sit very close to an electric system of significant power, which means that they may be subjected to high electromagnetic fields. The hazards of long-term exposure to these fields must be taken into account when designing electric vehicles and their components. Among all the electric devices present in the power train, the electronic converter is the most difficult to analyze, given that it works with different frequencies. In this paper, a methodology to evaluate the magnetic field created by a power electronics converter is proposed. After a brief overview of the recommendations of electromagnetic fields exposure, the magnetic field produced by an inverter is analyzed using finite element techniques. The results obtained are compared to laboratory measurements, taken from a real inverter, in order to validate the model. Finally, results are used to draw some conclusions regarding vehicle design criteria and magnetic shielding efficiency.

A simulation method to estimate closing forces in car-sealing rubber elements

The door-closing process can reinforce the impression of a solid, rock-proof, car body or of a rather cheap, flimsy vehicle. As there are no real prototypes during rubber profile bidding-out stages, engineers need to carry out non-linear numerical simulations that involve complex phenomena as well as static and dynamic loads for several profile candidates. This paper presents a structured virtual design tool based on FEM, including constitutive laws and incompressibility constraints allowing to predict more realistically the final closing forces and even to estimate sealing overpressure as an additional guarantee of noise insulation. Comparisons with results of physical tests are performed.

A Motor-less and Gear-less Bio-mimetic Robotic Fish Design

In this paper, we describe our current work on bio-inspired locomotion systems using a deformable structure and smart materials, concretely Shape Memory Alloys, exploring the possibility of building motor-less and gear-less robots. A swimming underwater robot has been developed whose movements are generated using such actuators, used for bending the backbone of the fish, which in turn causes a change on the curvature of the body. This paper focuses on how standard swimming patterns can be reproduced with the proposed design, using an actuation dynamics model identified in prior work.

Sistema para cambiar la geometría de un motor

En este proyecto se desarrolla un sistema electrónico para variar la geometría de un motor de un monoplaza que participa en la competición Fórmula SAE. Fórmula SAE es una competición de diseño de monoplazas para estudiantes, organizado por “Society of Automotive Enginners” (SAE). Este concurso busca la innovación tecnológica de la automoción, así como que estudiantes participen en un trabajo real, en el cual el objetivo es obtener resultados competitivos cumpliendo con una serie de requisitos. La variación de la geometría de un motor en un vehículo permite mejorar el rendimiento del monoplaza consiguiendo elevar el par de potencia del motor. Cualquier mejora en del vehículo en un ámbito de competición puede resultar determinante en el desenlace de la misma. El objetivo del proyecto es realizar esta variación mediante el control de la longitud de los tubos de admisión de aire o “runners” del motor de combustión, empleando un motor lineal paso a paso. A partir de la información obtenida por sensores de revoluciones del motor de combustión y la posición del acelerador se debe controlar la distancia de dichos tubos. Integrando este sistema en el bus CAN del vehículo para que comparta la información medida al resto de módulos. Por todo esto se realiza un estudio aclarando los aspectos generales del objetivo del trabajo, para la comprensión del proyecto a realizar, las posibilidades de realización y adquisición de conocimientos para un mejor desarrollo. Se presenta una solución basada en el control del motor lineal paso a paso mediante el microcontrolador PIC32MX795F512-L. Dispositivo del fabricante Microchip con una arquitectura de 32 bits. Este dispone de un módulo CAN integrado y distintos periféricos que se emplean en la medición de los sensores y actuación sobre el motor paso a paso empleando el driver de Texas Instruments DRV8805. Entonces el trabajo se realiza en dos líneas, una parte software de programación del control del sistema, empleando el software de Microchip MPLABX IDE y otra parte hardware de diseño de una PCB y circuitos acondicionadores para la conexión del microcontrolador, con los sensores, driver, motor paso a paso y bus CAN. El software empleado para la realización de la PCB es Orcad9.2/Layout. Para la evaluación de las medidas obtenidas por los sensores y la comprobación del bus CAN se emplea el kit de desarrollo de Microchip, MCP2515 CAN Bus Monitor Demo Board, que permite ver la información en el bus CAN e introducir tramas al mismo. ABSTRACT. This project develops an electronic system to vary the geometry of a car engine which runs the Formula SAE competition. Formula SAE is a design car competition for students, organized by "Society of Automotive Engineers" (SAE). This competition seeks technological innovation in the automotive industry and brings in students to participate in a real job, in which the objective is to obtain competitive results in compliance with certain requirements. Varying engine’s geometry in a vehicle improves car’s performance raising engine output torque. Any improvement in the vehicle in a competition field can be decisive in the outcome of it. The goal of the project is the variation by controlling the length of the air intake pipe or "runners" in a combustion engine, using a linear motor step. For these, uses the information gathered by speed sensors from the combustion engine and by the throttle position to control the distance of these tubes. This system is integrated in the vehicle CAN bus to share the information with the other modules. For all this is made a study to clarify the general aspects of the project in order to understand the activities developed inside the project, the different options available and also, to acquire knowledge for a better development of the project. The solution is based on linear stepper motor control by the microcontroller PIC32MX795F512-L. Device from manufacturer Microchip with a 32-bit architecture. This module has an integrated CAN various peripherals that are used in measuring the performance of the sensors and drives the stepper motor using Texas Instruments DRV8805 driver. Then the work is done in two lines, first, control programming software system using software MPLABX Microchip IDE and, second, hardware design of a PCB and conditioning circuits for connecting the microcontroller, with sensors, driver stepper motor and CAN bus. The software used to carry out the PCB is Orcad9.2/Layout. For the evaluation of the measurements obtained by the sensors and CAN bus checking is used Microchip development kit, MCP2515 CAN Bus Monitor Demo Board, that allows you to see the information on the CAN bus and enter new frames in the bus.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.