Flexible thin-film lithium battery

Tese de Doutoramento Programa Doutoral em Engenharia Electrónica e Computadores.

Operation modes for the electric vehicle in smart grids and smart homes : present and proposed modes

This paper presents the main operation modes for an electric vehicle (EV) battery charger framed in smart grids and smart homes, i.e., are discussed the present-day and are proposed new operation modes that can represent an asset towards EV adoption. Besides the well-known grid to vehicle (G2V) and vehicle to grid (V2G), this paper proposes two new operation modes: Home-to-vehicle (H2V), where the EV battery charger current is controlled according to the current consumption of the electrical appliances of the home (this operation mode is combined with the G2V and V2G); Vehicle-for-grid (V4G), where the EV battery charger is used for compensating current harmonics or reactive power, simultaneously with the G2V and V2G operation modes. The vehicle-to-home (V2H) operation mode, where the EV can operate as a power source in isolated systems or as an off-line uninterruptible power supply to feed priority appliances of the home during power outages of the electrical grid is presented in this paper framed with the other operation modes. These five operation modes were validated through experimental results using a developed 3.6 kW bidirectional EV battery charger prototype, which was specially designed for these operation modes. The paper describes the developed EV battery charger prototype, detailing the power theory and the voltage and current control strategies used in the control system. The paper presents experimental results for the various operation modes, both in steady-state and during transients.

Diseño del subsistema RF para el receptor SAR biestático en banda-C SABRINA

Este proyecto tiene como objetivo diseñar un nuevo receptor SAR biestático para el sistema SABRINA (SAR Bistatic fixed Receiver for INterferometric Applications) caracterizando el sistema que ya existía. El nuevo dispositivo deberá cumplir con las características y requisitos del escenario teniendo en cuenta la potencia recibida y el ruido de cuantificación de la tarjeta digitalizadora. Con este fin se introducen previamente conocimientos de teoría RADAR y SAR. Además, se deberá compactar al máximo el sistema para conseguir un receptor autocontenido que facilite su traslado. Para tal fin se ha incorporado a la caja del receptor un sintetizador programable que actúa de oscilador local de las cadenas de recepción y una fuente de alimentación que provee la tensión a todos los componentes activos del dispositivo. Por otra parte el proyecto ilustra las diferentes campañas de experimentos que se han realizado durante el periodo de trabajo.

Desconnexió de la xarxa

Treball de recerca realitzat per un alumne d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit cientí­fic del Jovent l'any 2009. Aquest treball es planteja com un repte la necessitat de connexió a una xarxa de subministrament elèctric i d'aigua. L'objectiu del treball ha estat comprovar si, tan tècnicament com econòmica, es pot aconseguir l'autosuficiència d'una casa de muntanya del Vallès Oriental tot aprofitant els recursos que ens ofereix el medi, però sense haver de renunciar al nivell de vida al qual ens hem acostumat durant els darrers anys. Després d'una recollida de dades i valoració del consum energètic mínim que volem imposar, hem dissenyat una instal·lació capaç d'aprofitar les energies renovables de l'entorn i de satisfer les nostres necessitats. La instal·lació inclou plaques fotovoltaiques, col·lectors solars, cisternes per a la recollida d'aigua, bombes, etc. Finalment, s'inclou un pressupost d'aquesta instal·lació, que indica que els diners que caldria invertir són massa. Es demostra, doncs, que l'autosuficiència d'aquesta casa és tècnicament viable, però econòmicament inviable (o gens rendible).

Artificial muscle to wash blood out of fibrillating atrium: an alternative to lifelong anticoagulation.

The Atripump is a motorless, volume displacement pump based on artificial muscle technology that could reproduce the pump function of normal atrium. It could help prevent blood clots due to blood stagnation and eventually avoid anticoagulation therapy in atrial fibrillation (AF). An animal study has been designed to assess mechanical effects of this pump on fibrillating atrium. The Atripump is a dome shaped silicone coated nitinol actuator. A pacemaker like control unit drives the actuator. In five adult sheep, the right atrium (RA) was exposed and dome sutured onto the epicardium. Atrial fibrillation was induced using rapid epicardial pacing (600 beats/min). Ejection fraction of the RA was obtained with intracardiac ultrasound in baseline, AF and Atripump assisted AF conditions. The dome's contraction rate was 60/min with power supply of 12V, 400 mA for 200 ms and ran for 2 hours in total. Mean temperature on the RA was 39+/-1.5 degrees C. Right atrium ejection fraction was 31% in baseline conditions, 5% and 20% in AF and assisted AF, respectively. In two animals a thrombus appeared in the right appendix and washed out once the pump was turned on. The Atripump washes blood out the RA acting as an anticoagulant device. Possible clinical implications in patients with chronic AF are prevention of embolism of cardiac origin and avoidance of hemorrhagic complication due to chronic anticoagulation.

Boost converter

In this project, we want to implement a theoretical typology of a converter, the Boost converter, which is also named “Step-up converter”. We also want to bring it to the practical area, where we could work and obtain a useful service, particularly our objective is to obtain a power supply for a notebook. We will give the possibility to work, charge etc. our device in the car and obtain another work station

A novel pediatric biventricular assist device: in vitro test results.

Most ventricular assist devices (VADs) currently used in infants are extracorporeal. These VADs require long-term anticoagulation therapy and extensive surgery, and two devices are needed for biventricular support. We designed a biventricular assist device based on shape memory alloy that reproduces the hemodynamic effects of cardiomyoplasty, supporting the heart with a compressing movement, and evaluated its performance in a dedicated mockup system. Nitinol fibers are the device's key component. Ejection fraction (EF), cardiac output (CO), and generated systolic pressure were measured on a test bench. Our test bench settings were a preload range of 0-15 mm Hg, an afterload range of 0-160 mm Hg, and a heart rate (HR) of 20, 30, 40, and 60 beats/min. A power supply of 15 volts and 3.5 amperes was necessary. The EF range went from 34.4% to 1.2% as the afterload and HR increased, along with a CO from 180 to 6 ml/min. The device generated a maximal systolic pressure of 25 mm Hg. Cardiac compression for biventricular assistance in child-sized heart using shape memory alloy is technically feasible. Further testing remains necessary to assess this VAD's in vivo performance range and its reliability.

Artificial muscle for end-stage heart failure.

We describe a device made of artificial muscle for the treatment of end-stage heart failure as an alternative to current heart assist devices. The key component is a matrix of nitinol wires and aramidic fibers called Biometal muscle (BM). When heated electrically, it produces a motorless, smooth, and lifelike motion. The BM is connected to a carbon fiber scaffold, tightening the heart and providing simultaneous assistance to the left and right ventricles. A pacemaker-like microprocessor drives the contraction of the BM. We tested the device in a dedicated bench model of diseased heart. It generated a systolic pressure of 75 mm Hg and ejected a maximum of 330 ml/min, with an ejection fraction of 12%. The device required a power supply of 6 V, 250 mA. This could be the beginning of an era in which BMs integrate or replace the mechanical function of natural muscles.

Totally implantable robot to treat chronic atrial fibrillation

Chronic atrial fibrillation affects millions of people worldwide. Its surgical treatment often fails to restore the transport function of the atrium. This study first introduces the concept of an atrial assist device (AAD) to restore the pump function of the atrium. The AAD is developed to be totally implantable in the human body with a transcutaneous energy transfer system to recharge the implanted battery. The ADD consists of a motorless pump based on artificial muscle technology, positioned on the external surface of the atrium to compress it and restore its muscular activity. A bench model reproduces the function of a fibrillating atrium to assess the circulatory support that this pump can provide. Atripump (Nanopowers SA, Switzerland) is a dome-shaped silicone-coated nitinol actuator 5 mm high, sutured on the external surface of the atrium. A pacemaker-like control unit drives the actuator that compresses the atrium, providing the mechanical support to the blood circulation. Electrical characteristics: the system is composed of one actuator that needs a minimal tension of 15 V and has a maximum current of 1.5 A with a 50% duty cycle. The implantable rechargeable battery is made of a cell having the following specifications: nominal tension of a cell: 4.1 V, tension after 90% of discharge: 3.5 V, nominal capacity of a cell: 163 mA h. The bench model consists of an open circuit made of latex bladder 60 mm in diameter filled with water. The bladder is connected to a vertically positioned tube that is filled to different levels, reproducing changes in cardiac preload. The Atripump is placed on the outer surface of the bladder. Pressure, volume and temperature changes were recorded. The contraction rate was 1 Hz with a power supply of 12 V, 400 mA for 200 ms. Preload ranged from 15 to 21 cm H(2)O. Maximal silicone membrane temperature was 55 degrees C and maximal temperature of the liquid environment was 35 degrees C. The pump produced a maximal work of 16 x 10(-3) J. Maximal volume pumped was 492 ml min(-1). This artificial muscle pump is compact, follows the Starling law and reproduces the hemodynamic performances of a normal atrium. It could represent a new tool to restore the atrial kick in persistent atrial fibrillation.

Estabilitzador de tensió, a partir d'una reactància de nucli saturable

Actualment hi ha una gran varietat de marques i models d'estabilitzadors de tensió, tot i que tots estan dissenyats i construïts amb el mateix propòsit, entregar una tensió estable a la sortida del dispositiu. La raó per la que es fabriquen estabilitzadors de tensió, es basa en el fet que, tot i amb els avenços tècnics i millores dels serveis de l'àrea energètica, no s'han pogut eliminar les freqüents caigudes o pujades de tensió en les xarxes d'alimentació d'energia elèctrica, fet que pot ocasionar errors en el funcionament dels equips electrònics. És per això que la majoria d'usuaris d'equips electrònics interposen un estabilitzador de tensió entre la línea d'alimentació dels seus aparells. L'objectiu del treball és realitzar la construcció d'un dispositiu de tres bobines amb un nucli ferromagnètic per a dur a terme la funció d'estabilitzador de tensió alterna. Mitjançant la tècnica de reluctància de nucli saturable i aplicant-la en aquest cas pràctic, es vol aconseguir desenvolupar un estabilitzador de tensió fiable i econòmic. Aquest treball ha d'aportar una solució en entorns de treball, entre altres, on s'utilitzen màquines d'alimentació alternes que siguin molt sensibles a les variacions de tensió de la xarxa i que, a més a més, no suposi una despesa molt elevada.

Pituusleikkurin turvaväylät ja koneturvallisuus

Turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän tehtävänä on siirtää ja käsitellä turvallisuuskriittistä tietoa. Esimerkiksi anturin (turvalaitteen) havaitessa vaaravyöhykkeelle pyrkivän ihmisen tulee ensimmäisenä tiedon välittyä ohjausjärjestelmään. Ohjausjärjestelmän on muodostettava saapuneen tiedon perusteella käsky tehonohjauselimille. Tehonohjauselimillä säädellään koneen käyttöenergian syöttöä ja sitä kautta on mahdollista pysäyttää koneen liike ennen mahdollisen vahingon sattumista. Perinteiset turvaratkaisut ovat perustuneet pakkotoimintaisiin releisiin ja kahdennuksiin. Tällämenetelmällä on toteutettu varmatoimintaisia turvaratkaisuja, joissa yksittäiset viat ovat paljastuneet. Nykyisin on kuitenkin yhä enemmän tarvetta integroida turvatoiminnot automaatiojärjestelmään ja toteuttaa turvaratkaisut hajautetuillajärjestelmillä. Hajautetut järjestelmät sisältävät osittain ohjelmoitavien järjestelmien etuja ja haittoja, mutta tuovat mukanaan myös uudenlaisia vikoja. Työn tarkoitus oli selvittää, millaisia rajoituksia koneturvallisuus asettaa paperiteollisuuden pituusleikkurien turvallisuuteen liittyville ohjausjärjestelmille, sekä selvittää turvallisuuteen liittyvien järjestelmien rakennetta ja ominaisuuksia. Tässä työssä tutkittiin AS-i, EsaLan ja ProfiSafe turvajärjestelmiä teknisten tietojen perusteella. Tutkitut järjestelmät ovat erilaisia ja soveltuvat tämän vuoksi hieman erilaisiin kohteisiin. Kaikilla näillä järjestelmillä on kuitenkin mahdollista toteuttaa pituusleikkurin turvaväyläjärjestelmässä riittävä turvallisuuden taso koneturvallisuuden näkökulmasta. Tämä edellyttää oikein tehtyä riskianalyysiä ja oikeita suunnittelumenetelmiä. Teknisten tietojen perusteella otettiin testattavaksi AS-i safety at workja EsaLan:in Compact järjestelmät, joille suoritettiin sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen (EMC) ja toiminnallisuuteen liittyviä testejä.

Mekatronisen portaattomasti säädettävän ajoneuvotehonsiirtokoneiston suunnittelu ja simulointi

Työn tarkoituksena on tutkia tehonsiirron ratkaisuja, jotka mahdollistavat jatkuvanopeus ja -momentinsäädön. Työ on rajattu käsittämään kahta eri planeettavaihdetuotetta. Tutkimuksen kohteena ovat valittujen vaihdetuotteiden planeettapyörästöjen eri kytkentämahdollisuudet ja niiden vaikutus toisiinsa. Vaihteiden teknistä toteutusta ja toimivuutta tarkastellaan fyysisten testien, simuloinnin sekä analyyttisen laskennan avulla. Apuna työssä on käytetty Dymola simulointiohjelmaa, jossa kinemaattisten kuvakeliitäntöjen avulla on rakennettu virtuaalimalli tarkastellusta tuotteesta ja sen toiminnasta. Tietokoneen avulla luotua dynaamista simulointimallia on muokattu tutkimuksen edistyessä differentiaalisesti jatkuvasäätöisen momentinmuuntimen aikaan saamiseksi. Tuotteissa on käytetty aurinkopyörällisiä ja aurinkopyörättömiä planeettapyörästöjä. Ensimmäisessä tutkittavassa tuotteessa on kolme planeettapyörästöä ja toisessa kaksi. Teholähteeksi käy polttomoottori tai sähkömoottori. Välitys- ja pyörimissuhteiden muuntoon vaikuttaa planeettavaihteistoon kytketty sähkömoottori, jonka toimintaa voidaan ohjata erikseen. Työssä on selvitetty, millaisia kulmanopeuksia ja momentteja eri ajanhetkellä ja eri pisteissä simulointimallia esiintyy.Lisäksi selvitetään vaihteistojen portaattoman välityssuhteen muuntomahdollisuudet. Tarkoituksena on saada realistista informaatiota tutkittavien laitteiden toiminnasta. Johtavana ajatuksena on modernien menetelmien käyttäminen uusien innovaatioiden toimivuuden ja äärikohtien tutkimiseksi.

Competitiveness Comparison of the Electricity Production Alternatives

The competitiveness comparison is carried out for merely electricity producing alternatives. In Finland, further construction of CHP (combined heat and power) power plants will continue and cover part of the future power supply deficit, but also new condensing power plant capacity will be needed. The following types of power plants are studied: - nuclear power plant, - coal-fired condensing power plant - combined cycle gas turbine plant, - peat-fired condensing power plant. - wood-fired condensing power plant - wind power plant The calculations have been made using the annuity method with a real interest rate of 5 % perannum and with a fixed price level as of March 2003. With the annual full load utilization time of 8000 hours the nuclear electricity would cost 23,7 ¤/MWh, the gas based electricity 32,3 ¤/MWh and coal based electricity 28,1 ¤/MWh. If the influence of emission trading is taken into account,the advantage of the nuclear power will still be improved. Inorder to study the impact of changes in the input data, a sensitivity analysis has been carried out. It reveals that the advantage of the nuclear power is quite clear. E.g. the nuclear electricity is rather insensitive tothe changes of the uranium price, whereas for natural gas alternative the rising trend of gas price causes the greatest risk.

Teholähdesuunnittelu

Työssä vertaillaan massatuotannon näkökulmasta eri tehoalueille sopivia teholähteen toteuttamisvaihtoehtoja. Lisäksi esitellään standardien asettamia vaatimuksia teholähteille. Työssä käsitellään teholähdesuunnittelun eri osa-alueita ja niihin sopivien simulointityökalujen hyödyntämismahdollisuuksia suunnitteluprosessin osana. Simulointituloksia ja teoreettisia laskelmia vertaillaan prototyypistä suoritettuihin mittauksiin.

Teholähdepiirilevyn suunnittelu akkukäyttöiseen laitteeseen

Teholähdepiirilevyn suunnittelu etenkin kooltaan pieneen akkukäyttöiseen laitteeseen on monivaiheinen suunnitteluprosessi. Teholähdetopologioiden valinta levylle määrää heti alkuunsa kuinka vakaata jännitettä levyllä voidaan tuottaa, kuinka suuria tehoja siitä voidaan ottaa, miten paljon häiriöitä levy tuottaa ympäristöönsä ja ennen kaikkea, kun akkukäyttöisestä laitteesta on kysymys, kuinka hyvään hyötysuhteeseen sillä voidaan päästä. Suunnittelun kannalta hakkuriteholähde on teholähdetopologioista vaativin. Tässä työssä paneudutaankin tarkemmin boost-hakkuriteholähteen suunnitteluun. Pelkkä hakkurin komponenttien mitoitus ei takaa teholähteelle parasta mahdollista toimintaa, vaan myös piirilevysuunnittelulla on suuri merkitys. Akkukäyttöisen laitteen teholähdepiirilevyn suunnittelu ei rajoitu yksinomaan teholähteiden suunnitteluun vaan levy sisältää usein myös muuta oheiselektroniikkaa, yleensä ainakin laitteen käynnistyselektroniikan sekä akun latausjärjestelmän. Etenkin akun latausjärjestelmän suunnittelu saattaa muodostua hyvinkin monimutkaiseksi tehtäväksi. Tässä työssä onkin tutkittu muutaman yleisimmän akkutyypin latausmenetelmiä. Työssä suunnitellaan myös käytännössä teholähdepiirilevy akkukäyttöiseen mittalaitteeseen. Levyn toimintaa tutkitaan erinäisin mittauksin, joilla pyritään selvittämään levyn heikkoudet. Näiden heikkouksien pohjalta levystä suunnitellaan paranneltu versio. Tällekin levylle tehdään samat mittaukset kuin edelliselle versiolle, joista selviää parannusten onnistuminen.