Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.

Design of flywheel generator for a diesel hybrid working machine

The aim of this work is to design a flywheel generator for a diesel hybrid working machine. In this work we perform detailed design of a generator. Mobile machines are commonly used in industry: road building machines, three harvesting machines, boring machines, trucks and other equipment. These machines work with a hydraulic drive system. This system provides good service property and high technical level. Manufacturers of mobile machines tend to satisfy all requirements of customers and modernized drive system. In this work also a description of the frequency inverter is present. Power electronics system is one of the basic parts for structures perform in the project.

Energy Efficiency of a Diesel-Electric MobileWorking Machine

The power demand of many mobile working machines such as mine loaders, straddle carriers and harvesters varies significantly during operation, and typically, the average power demand of a working machine is considerably lower than the demand for maximum power. Consequently, for most of the time, the diesel engine of a working machine operates at a poor efficiency far from its optimum efficiency range. However, the energy efficiency of dieseldriven working machines can be improved by electric hybridization. This way, the diesel engine can be dimensioned to operate within its optimum efficiency range, and the electric drive with its energy storages responds to changes in machine loading. A hybrid working machine can be implemented in many ways either as a parallel hybrid, a series hybrid or a combination of these two. The energy efficiency of hybrid working machines can be further enhanced by energy recovery and reuse. This doctoral thesis introduces the component models required in the simulation model of a working machine. Component efficiency maps are applied to the modelling; the efficiency maps for electrical machines are determined analytically in the whole torque–rotational speed plane based on the electricalmachine parameters. Furthermore, the thesis provides simulation models for parallel, series and parallel-series hybrid working machines. With these simulation models, the energy consumption of the working machine can be analysed. In addition, the hybridization process is introduced and described. The thesis provides a case example of the hybridization and dimensioning process of a working machine, starting from the work cycle of the machine. The selection and dimensioning of the hybrid system have a significant impact on the energy consumption of a hybrid working machine. The thesis compares the energy consumption of a working machine implemented by three different hybrid systems (parallel, series and parallel-series) and with different component dimensions. The payback time of a hybrid working machine and the energy storage lifetime are also estimated in the study.

Development of Generic Simulation Model for Mobile Working Machines

This master’s thesis has been done for Drive! –project in which a new electric motor solution for mobile working machines is developed. Generic simulation model will be used as marketing and development tool. It can be used to model a wide variety of different vehicles with and without electric motor and to show customer the difference between traditionally build vehicles and those with new electric motor solution. Customers can also use simulation model to research different solutions for their own vehicles. At the start of the project it was decided that MeVEA software would be used as main simulation program and Simulink will only be used to simulate the operation of electrical components. Development of the generic model started with the research of these two software applications, simulation models which are made with them and how these simulation models can be build faster. Best results were used for building of generic simulation model. Finished generic model can be used to produce new tractor models for real-time simulations in short notice. All information about model is collected to one datasheet which can be easily filled by the user. After datasheet is filled a script will automatically build new simulation model in seconds. At the moment generic model is capable of building simulation models for wide variety of different tractors but it can be easily altered for other vehicle types too which would also benefit greatly from electric drive solution. Those could be for example wheel loaders and harvesters.

Battery Cell Modeling for Battery Management System

Usage of batteries as energy storage is emerging in automotive and mobile working machine applications in future. When battery systems become larger, battery management becomes an essential part of the application concerning fault situations of the battery and safety of the user. A properly designed battery management system extends one charge cycle of battery pack and the whole life time of the battery pack. In this thesis main objectives and principles of BMS are studied and first order Thevenin’s model of the lithium-titanate battery cell is built based on laboratory measurements. The battery cell model is then verified by comparing the battery cell model and the actual battery cell and its suitability for use in BMS is studied.

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.

Langaton työympäristö yrityskäyttäjille: Kokonaisratkaisut ja niiden tuotteistus

Langattomuus ja erilaiset mobiilit ratkaisut ovat tulleet jäädäkseen.Langattomiin laitteisiin törmää nykyään päivittäin mitä erilaisimmissa yhteyksissä ja myös yrityksissä on huomattu langattomuuden mukanaan tuoma potentiaali mahdollisuutena tehostaa työntekoa, parantaa tuottavuutta sekä luoda kokonaan uusia toimintamalleja. Tämän työn teettäjänä toimii Datainfo Solutions Lappeenranta.Tarkoituksena oli luoda yrityksen käyttöön langattomia mobiilityöympäristöjä, joita yritys voi hyödyntää tarjotessaan uudentyyppisiä langattomia kokonaisratkaisuja asiakkailleen. Työ käsittelee ensin perusteknologioita, joilla langaton työympäristö voidaan toteuttaa. Tietoturvaosiossa käsitellään ensimmäisessä luvussa esiteltyjen teknologioiden tietoturvaa sekä langattomuuden mukanaan tuomia erityisiä uhkakuvia sekä ratkaisuja näihin tietoturvauhkiin. Langattomuus ja liikkuminen lisäävät luonnollisesti erilaisten etäkäyttöratkaisujen käyttöä, joten työssä esitellään myös etäkäytön teoriapuolta. Diplomityön tuloksena saatiin langaton kokonaisratkaisu, joka sisältää kolme eri asiakassegmenttiäja kuusi erilaista ja -tyyppistä tuotteistusta.

Matkapuhelimen näytön testaus massatuotannossa

Tässä diplomityössä perehdytään matkapuhelimen näytön testaamiseen massatuotannon eri vaiheissa. Pääasialliset keskittymisen kohteet ovat näytön ohjaamiseen tarvittava tasonmuunnin, sen suunnittelu ja toteutus sekä erilaiset näytöntarkastustekniikat. Samalla käydään läpi myös näyttöjen historiaa ja tulevaisuutta, sekä erilaisia konenäköjärjestelmiä. Työssä oli tavoitteena kehittää joustava ratkaisu nykyisten ja tulevien näyttöjen testaukseen ja ohjaamiseen. Tuloksena saatiin tehtävään sopiva tasonmuunnin ja ohjelmisto. Kehitetyt ratkaisut ovat myös helposti muunnettavissa tulevaisuuden tarpeisiin.

Hybridikäytön mitoitus liikkuvan työkoneen energian talteenottojärjestelmäksi

Työssä tarkastellaan sähköisiä energian talteenottomahdollisuuksia liikkuvissa työkoneissa. Työssä esitetään kolme erityyppistä liikkuvaan työkoneeseen soveltuvaa sähköisen energian talteenottojärjestelmää sekä mitoitetaan hybridikäyttö kahdelle erityyppiselle työkonesovellukselle kuormituskäyrien perusteella. Lisäksi työssä lasketaan hybridijärjestelmää käyttämällä saavutettava energiansäästö nykyiseen käyttöön verrattuna.

Mobiilipalvelut koulutusorganisaation liikkuvan työn välineenä

Päijät-Hämeen koulutuskonsernissa käynnistettiin 2008 hanke liikkuvan työn ratkaisuista, johon yhtenä osa-alueena kuului henkilöstön mobiilitarpeiden tarvekartoitus ja erilaisten liikkuvaa työtä tekevien ryhmien tunnistaminen ja luokittelu. Mobiilipalvelujen tarvekartoitus toteutettiin käyttäjälähtöisenä kyselytutkimuksena koko konsernin henkilöstölle. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää ammattikorkeakoulun opetushenkilöstön mobiilipalvelujen tarve ja sen perusteella tunnistaa ja luokitella erilaiset käyttäjäprofiilit. Tarvekartoitusprojekti sisälsi selvityksen, jossa haluttiin saada selville eri käyttäjäryhmien mobiilaitteiden ja tietoliikenneyhteyksien tarve. Lisäksi haluttiin selvittää, missä vastaajat työskentelevät ja kiinnostus oli erityisesti siihen, miten mobiilia vastaajien työ on tällä hetkellä. Työn tuloksia tullaan hyödyntämään hankesuunnittelussa ja mobiilipalvelujen kilpailutuksessa.

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Electric-drive-based control and electric energy regeneration in a hydraulic system

Over the recent years, development in mobile working machines has concentrated on reducing emissions owing to the tightening rules and needs to improve energy utilization and reduce power losses. This study focuses on energy utilization and regeneration in an electro-hydraulic forklift, which is a lifting equipment application. The study starts from the modelling and simulation of a hydraulic forklift. The energy regeneration from the potential energy of the load was studied. Also a flow-based electric motor speed control was suggested in this thesis instead of the throttle control method or the variable displacement pump control. Topics related to further development in the future are discussed. Finally, a summary and conclusions are presented.

Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa

Tämä työ on osa Integrated Serial and Parallel Hybrid Drives in Working Machines projektia. Työssä simuloidaan ja lasketaan energian palautuspotentiaalia raskaassa liikkuvassa työkoneessa. Työn alussa aihetta käsitellään yleisesti kirjallisuuskatsauksen muodossa. Tukkikurottaja valittiin simulointien ja laskennan kohteeksi. Työssä suoritettiin alustavat simuloinnit, joiden tarkoituksena oli varmistua, että palautettavaa energiaa on olemassa. Tulokset osoittavat, että energian palauttaminen on mahdollista. Mittaukset ovat osa työtä. Mitatut muuttujat ovat paineet ja pituudet hydraulisylintereistä, rungon kiihtyvyys, sekä kaikki CAN-väylään kytkettyjen antureiden mittaustiedot. Lopulliset simuloinnit perustuvat mitattuihin työkiertoihin. Työsylintereiden ja ajovoimansiirron tehotarpeet valittiin simulointien tarkasteltaviksi mittaussuureiksi. Mahdollinen palautettavan energian määrä eri työkierroissa on työn lopputulos. Tulokset osoittavat, että palautettavan energian määrä on talteenoton kannalta riittävä.

Vanadiiniakut

Nykyään monet käyttökohteet vaativat akuilta aiempaa parempaa suorituskykyä, joten on syntynyt kasvavaa tarvetta uusien akkujen kehittämiselle erilaisista uusista materiaaleista ja uusiin valmistusmenetelmiin pohjautuen. Työn tavoitteena on selvittää kirjallisuustutkimuksena litium-vanadiini-fosfaattiakun ja vanadiini-redoksi-virtausakun ominaisuuksia, saatavuutta, sovelluskohteita ja vertailla niitä muutamaan eri litiumakkutekniikkaan. Tutkimuksen perusteella litium-vanadiini-fosfaattiakkuja ei ole vielä saatavilla kaupallisesti, joten työssä tutkittiin niitä teknisten raporttien pohjalta. Raporttien pohjalta arvioituna, parhaita ominaisuuksia litium-vanadiini-fosfaattiakuilla on erinomainen kuormituksen kesto ja korkea nimellisjännite. Sähköisissä ajoneuvoissa litium-vanadiini-fosfaattiakuilla on suurimmat mahdollisuudet erilaisissa hybridiajoneuvoissa, mutta todennäköisesti ne soveltuvat täyssähköisiin ajoneuvoihin vähintään yhtä hyvin kuin esimerkiksi litium-rauta-fosfaattiakut, jos valmistuskustannukset olisivat samalla tasolla. Vanadiini-redoksi-virtausakkua on jo markkinoilla usean valmistajan toimesta. Niiden ominaisuudet poikkeavat paljon muista akkutyypeistä ja erikoisuutena on mahdollisuus akun pikalataukseen elektrolyyttinesteet vaihtamalla. Syklien kestossa päästään myös erinomaisiin arvoihin, mutta suurimmat ongelmat ovat lyijyakkuakin matalampi energiatiheys ja tehotiheys. Vanadiini-redoksi-virtausakut soveltuvat parhaiten suuren kokoluokan sähköverkkoratkaisuihin ja sähköisissä ajoneuvoissa niiden mahdollisuudet rajoittunevat täyssähköisiin linja-autoihin ja isoihin työkoneisiin.

Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.