Sviluppo di un modello Simulink per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria

Obiettivo di questo progetto di tesi è la realizzazione di un modello per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria: l’elettrificazione in ambito automotive richiede un approfondito studio delle problematiche termiche allo scopo di incrementare l’efficienza del veicolo, le performance e la vita della batteria. In particolare, l’oggetto di ricerca consiste nella modellazione di una pompa di calore. Partendo dalla definizione dei requisiti e degli obiettivi del sistema di gestione termica, ogni componente della pompa di calore viene analizzato modellato e connesso all’intero sistema. La modellazione è stata affrontata mediante l’utilizzo dell’ambiente MATLAB/Simulink. Il primo passo è stato avanzato nell’analisi del ciclo termodinamico ideale, analizzando il comportamento di vari fluidi frigorigeni, la funzionalità dei singoli componenti e l’interazione di quest’ultimi al variare delle condizioni di funzionamento, principalmente potenze scambiate, pressioni, temperature e portata massica di refrigerante. Il principale lavoro di simulazione è legato alla realizzazione di un modello configurabile dell’intero apparato di gestione termica della batteria per un veicolo elettrico. Per mezzo dello studio delle relazioni termodinamiche dei componenti principali del ciclo frigorifero sono state valutate tutte le grandezze che variano durante le trasformazioni che compie il fluido refrigerante all’interno del ciclo frigorifero. L’attività di validazione del modello implementato è stata svolta mediante il confronto tra le condizioni del fluido refrigerante determinate mediante le relazioni termodinamiche e quelle ottenute valutando le trasformazioni sui diagrammi di stato dei fluidi frigorigeni trattati. Il modello implementato è da ritenersi primordiale nel contesto legato alla modellazione e controllo dei sistemi di gestione termica per i sistemi propulsivi dei veicoli elettrici a batteria.

Development of an innovative non rule-based energy management strategy for a Hybrid Electric Vehicle, structured for predictive driving controls based on external information knowledge

Recently, the interest of the automotive market for hybrid vehicles has increased due to the more restrictive pollutants emissions legislation and to the necessity of decreasing the fossil fuel consumption, since such solution allows a consistent improvement of the vehicle global efficiency. The term hybridization regards the energy flow in the powertrain of a vehicle: a standard vehicle has, usually, only one energy source and one energy tank; instead, a hybrid vehicle has at least two energy sources. In most cases, the prime mover is an internal combustion engine (ICE) while the auxiliary energy source can be mechanical, electrical, pneumatic or hydraulic. It is expected from the control unit of a hybrid vehicle the use of the ICE in high efficiency working zones and to shut it down when it is more convenient, while using the EMG at partial loads and as a fast torque response during transients. However, the battery state of charge may represent a limitation for such a strategy. That’s the reason why, in most cases, energy management strategies are based on the State Of Charge, or SOC, control. Several studies have been conducted on this topic and many different approaches have been illustrated. The purpose of this dissertation is to develop an online (usable on-board) control strategy in which the operating modes are defined using an instantaneous optimization method that minimizes the equivalent fuel consumption of a hybrid electric vehicle. The equivalent fuel consumption is calculated by taking into account the total energy used by the hybrid powertrain during the propulsion phases. The first section presents the hybrid vehicles characteristics. The second chapter describes the global model, with a particular focus on the energy management strategies usable for the supervisory control of such a powertrain. The third chapter shows the performance of the implemented controller on a NEDC cycle compared with the one obtained with the original control strategy.

Development of a Predictive Control Function for a Plug-in Hybrid Electric Vehicle with Electrically-heated Catalyst

This master thesis work is focused on the development of a predictive EHC control function for a diesel plug-in hybrid electric vehicle equipped with a EURO 7 compliant exhaust aftertreatment system (EATS), with the purpose of showing the advantages provided by the implementation of a predictive control strategy with respect to a rule-based one. A preliminary step will be the definition of an accurate powertrain and EATS physical model, starting from already existing and validated applications. Then, a rule-based control strategy managing the torque split between the electric motor (EM) and the internal combustion engine (ICE) will be developed and calibrated, with the main target of limiting tailpipe NOx emission by taking into account EM and ICE operating conditions together with EATS conversion efficiency. The information available from vehicle connectivity will be used to reconstruct the future driving scenario, also referred to as electronic horizon (eHorizon), and in particular to predict ICE first start. Based on this knowledge, an EATS pre-heating phase can be planned to avoid low pollutant conversion efficiencies, thus preventing high NOx emission due to engine cold start. Consequently, the final NOx emission over the complete driving cycle will be strongly reduced, allowing to comply with the limits potentially set by the incoming EURO 7 regulation. Moreover, given the same NOx emission target, the gain achieved thanks to the implementation of an EHC predictive control function will allow to consider a simplified EATS layout, thus reducing the related manufacturing cost. The promising results achieved in terms of NOx emission reduction show the effectiveness of the application of a predictive control strategy focused on EATS thermal management and highlight the potential of a complete integration and parallel development of involved vehicle physical systems, control software and connectivity data management.

Optimal bidding strategies of an electric vehicle aggregator in an electricity market

In recent years Electric Vehicles (EVs) are getting more importance as future transport systems, due to the increase of the concerns relevant to the greenhouse gases emission and the use fossil fuel. The management of the charging and discharging process of EVs could provide new business model for participating in the electricity markets. Moreover, vehicle to grid systems have the potential of increasing utility system flexibility. This thesis develops some models for the optimal integration of the EVs in the electricity market. In particular, the thesis focuses on the optimal bidding strategy of an EV aggregator participating to both the day ahead market and the secondary reserve market. The aggregator profit is maximized taking into account the energy balance equation, as well as the technical constraints of energy settlement, power supply and state of charge of the EVs. The results obtained by using the GAMS (General Algebraic Modelling System) environment are presented and discussed.

Design of an innovative electric vehicle simulator for Charging Systems' End-of-Line Testing

The trend related to the turnover of internal combustion engine vehicles with EVs goes by the name of electrification. The push electrification experienced in the last decade is linked to the still ongoing evolution in power electronics technology for charging systems. This is the reason why an evolution in testing strategies and testing equipment is crucial too. The project this dissertation is based on concerns the investigation of a new EV simulator design. that optimizes the structure of the testing equipment used by the company who commissioned this work. Project requirements can be summarized in the following two points: space occupation reduction and parallel charging implementation. Some components were completely redesigned, and others were substituted with equivalent ones that could perform the same tasks. In this way it was possible to reduce the space occupation of the simulator, as well as to increase the efficiency of the testing device. Moreover, the possibility of conjugating different charging simulations could be investigated by parallelly launching two testing procedures on a unique machine, properly predisposed for supporting the two charging protocols used. On the back of the results achieved in the body of this dissertation, a new design for the EV simulator was proposed. In this way, space reduction was obtained, and space occupation efficiency was improved with the proposed new design. The testing device thus resulted to be way more compact, enabling to gain in safety and productivity, along with a 25% cost reduction. Furthermore, parallel charging was implemented in the proposed new design since the conducted tests clearly showed the feasibility of parallel charging sessions. The results presented in this work can thus be implemented to build the first prototype of the new EV simulator.

Fleet Management System for Search and Rescue Operations

Over one million people lost their lives in the last twenty years from natural disasters like wildfires, earthquakes and man-made disasters. In such scenarios the usage of a fleet of robots aims at the parallelization of the workload and thus increasing speed and capabilities to complete time sensitive missions. This work focuses on the development of a dynamic fleet management system, which consists in the management of multiple agents cooperating in order to accomplish tasks. We presented a Mixed Integer Programming problem for the management and planning of mission’s tasks. The problem was solved using both an exact and a heuristic approach. The latter is based on the idea of solving iteratively smaller instances of the complete problem. Alongside, a fast and efficient algorithm for estimation of travel times between tasks is proposed. Experimental results demonstrate that the proposed heuristic approach is able to generate quality solutions, within specific time limits, compared to the exact one.

Progettazione di uno strumento di analisi dati per sistemi SCADA-ENERGY Management System

L’obiettivo di questa tesi è approfondire le competenze sulle funzionalità sviluppate nei sistemi SCADA/EMS presenti sul mercato, così da conoscerne le potenzialità offerte: tutte le conoscenze acquisite servono a progettare uno strumento di analisi dati flessibile e interattivo, con il quale è possibile svolgere analisi non proponibili con le altre soluzioni analizzate. La progettazione dello strumento di analisi dei dati è orientata a definire un modello multidimensionale per la rappresentazione delle informazioni: il percorso di progettazione richiede di individuare le informazioni d’interesse per l’utente, così da poterle reintrodurre in fase di progettazione della nuova base dati. L’infrastruttura finale di questa nuova funzionalità si concretizza in un data warehouse: tutte le informazioni di analisi sono memorizzare su una base dati diversa da quella di On.Energy, evitando di correlare le prestazione dei due diversi sottosistemi. L’utilizzo di un data warehouse pone le basi per realizzare analisi su lunghi periodi temporali: tutte le tipologie di interrogazione dati comprendono un enorme quantità d’informazioni, esattamente in linea con le caratteristiche delle interrogazioni OLAP

Analisi e ottimizzazione di un container management system nel settore automotive: Il caso Robert Bosch GmbH.

Il presente elaborato descrive l’attività di progetto svolta durante il periodo di tirocinio presso la business unit “automotive technologies” della Robert Bosch GmbH: la Robert Bosch GmbH Branch in Italy che ha sede a Torino, e che si configura come fornitore di componenti per l’industria automotive. La funzione logistica è l’ufficio in cui si è svolta l’esperienza di tirocinio, che si è sviluppato nell’ambito del progetto di Container Management System. In particolare, è stato analizzato il sistema di gestione dei Returnable Packaging relativi ai componenti che vengono forniti agli stabilimenti dei clienti localizzati in Italia. L’elaborato è composto da due parti: una parte teorica e una parte pratica. La parte teorica espone gli strumenti teorici sui quali si fondano i contenuti sviluppati nella parte pratica. La parte pratica è volta a descrivere l’attività di progetto da un punto di vista strettamente operativo. Il primo capitolo illustra i motivi che hanno determinato l’avvio del progetto. Sono poi messi in evidenza quali sono gli obiettivi intermedi e finali che si intendono raggiungere, declinandoli in termini di organizzazione del lavoro. Sono qui esposte le basi teoriche del metodo utilizzato e della disciplina a cui si fa riferimento. Viene inoltre dato spazio alla trattazione di alcuni topic nell’ambito dei Returnable Packaging, approfondendo l’argomento per il settore automotive. Il secondo capitolo descrive la struttura organizzativa, i settori di business e le attività svolte dal gruppo Robert Bosch GmbH nel mondo e in Italia. Viene dato particolare rilievo alla sede di Torino ed alla divisione logistica di quest’ultima, in modo tale da descrivere il contesto entro il quale si sviluppa il progetto. Il capitolo presenta infine gli attori che operano nella catena logistica analizzata, descrivendone le attività svolte e caratterizzando la rete logistica studiata al fine di definire i confini entro i quali si sviluppa il progetto. Il terzo capitolo presenta l’analisi effettuata sul caso in esame, descrivendone le modalità operative per ciascuna fase. Il quarto capitolo presenta delle osservazioni sull’analisi effettuata, la validazione tecnico econimica delle soluzioni proposte e le considerazioni conclusive.

Energy management system: Progettazione e sviluppo di uno strumento di stima e analisi di variabili energetiche

Questo elaborato di tesi è nato con l'esigenza di sviluppare un nuovo modulo per la stima di variabili energetiche da inserire nel software On.Energy, per dare la possibilità a tutti gli utilizzatori di capire quanto i valori osservati nella realtà si discostino da un modello teorico appositamente creato, e fornire quindi un ulteriore strumento di analisi per mantenere sotto controllo il sistema nell'ottica del miglioramento continuo. Il risultato sarà uno strumento che verrà provato in via sperimentale sugli stabilimenti di due aziende leader in Italia in settori produttivi largamente differenti (Amadori - alimentare, Pfizer - farmaceutico), ma accomunati dalle esigenze di monitorare, analizzare e efficientare i consumi energetici.

Il Pavement Management System di un'infrastruttura viaria: il caso del quartiere di Campo di Marte del Comune di Firenze

L’elaborato si apre presentando il concetto di Pavement Managemet System (PMS), un modello di gestione degli interventi di manutenzione che le pavimentazioni di una rete stradale dovranno subire nel corso del tempo. Uno dei punti di forza del Pavement Management System, è costituito dalla diretta comparazione tra i costi delle strategie programmate e i relativi benefici, che consente di scegliere l’alternativa più efficace. Nel secondo capitolo viene descritto il catasto stradale, strumento di fondamentale importanza per la gestione del patrimonio stradale e per il funzionamento del Pavement Management System. Esso infatti è l’elemento di collegamento tra la sicurezza e la programmazione della manutenzione. Il terzo capitolo espone il caso di studio del quartiere di Campo di Marte del Comune di Firenze. L’elemento di partenza di questo capitolo è il database dei sinistri stradali, il quale aiuta ad individuare alcune carenze della sovrastruttura che potrebbero essere causa di disagi o addirittura di incidenti. Dall’analisi si possono quindi dedurre utili indicazioni sul tipo di interventi che si rendono necessari per garantire la sicurezza e sulle priorità degli interventi stessi. Successivamente vengono descritte le modalità di rilievo per il quartiere oggetto del caso di studio ed esposti i risultati. Questi, uniti a quelli degli indici di stato prestazionali, danno vita alla pianificazione degli interventi di manutenzione necessari. Il quarto ed ultimo capitolo contiene i piani di manutenzione, con la relativa catalogazione degli interventi di manutenzione e riabilitazione. Questi vengono pianificati con l’ausilio dei risultati provenienti dai rilievi e dagli indici di stato prestazionali. Infine vengono presentati a titolo di esempio, tre casi reali di piano operativo degli interventi sulle pavimentazioni di strade appartenenti al quartiere di Campo di Marte.

Modeling and validation of the thermal behavior of buildings for the development of demand response methods

The representation of the thermal behaviour of the building is achieved through a relatively simple dynamic model that takes into account the effects due to the thermal mass of the building components. The model of a intra-floor apartment has been built in the Matlab-Simulink environment and considers the heat transmission through the external envelope, wall and windows, the internal thermal masses, (i.e. furniture, internal wall and floor slabs) and the sun gain due to opaque and see-through surfaces of the external envelope. The simulations results for the entire year have been compared and the model validated, with the one obtained with the dynamic building simulation software Energyplus.

Motion Control of an Advanced Electric Implement for Agricultural Autonomous Vehicles

Nowadays, the development of intelligent and autonomous vehicles used to perform agricultural activities is essential to improve quantity and quality of agricultural productions. Moreover, with automation techniques it is possible to reduce the usage of agrochemicals and minimize the pollution. The University of Bologna is developing an innovative system for orchard management called ORTO (Orchard Rapid Transportation System). This system involves an autonomous electric vehicle capable to perform agricultural activities inside an orchard structure. The vehicle is equipped with an implement capable to perform different tasks. The purpose of this thesis project is to control the vehicle and the implement to perform an inter-row grass mowing. This kind of task requires a synchronized motion between the traction motors and the implement motors. A motion control system has been developed to generate trajectories and manage their synchronization. Two main trajectories type have been used: a five order polynomial trajectory and a trapezoidal trajectory. These two kinds of trajectories have been chosen in order to perform a uniform grass mowing, paying a particular attention to the constrains of the system. To synchronize the motions, the electronic cams approach has been adopted. A master profile has been generated and all the trajectories have been linked to the master motion. Moreover, a safety system has been developed. The aim of this system is firstly to improve the safety during the motion, furthermore it allows to manage obstacle detection and avoidance. Using some particular techniques obstacles can be detected and recovery action can be performed to overcome the problem. Once the measured force reaches the predefined force threshold, then the vehicle stops immediately its motion. The whole project has been developed by employing Matlab and Simulink. Eventually, the software has been translated into C code and executed on the TI Lauchpad XL board.