A New Control Architecture for Robust Controllers in Rear Electric Traction Passenger HEVs

It is well known that control systems are the core of electronic differential systems (EDSs) in electric vehicles (EVs)/hybrid HEVs (HEVs). However, conventional closed-loop control architectures do not completely match the needed ability to reject noises/disturbances, especially regarding the input acceleration signal incoming from the driver's commands, which makes the EDS (in this case) ineffective. Due to this, in this paper, a novel EDS control architecture is proposed to offer a new approach for the traction system that can be used with a great variety of controllers (e. g., classic, artificial intelligence (AI)-based, and modern/robust theory). In addition to this, a modified proportional-integral derivative (PID) controller, an AI-based neuro-fuzzy controller, and a robust optimal H-infinity controller were designed and evaluated to observe and evaluate the versatility of the novel architecture. Kinematic and dynamic models of the vehicle are briefly introduced. Then, simulated and experimental results were presented and discussed. A Hybrid Electric Vehicle in Low Scale (HELVIS)-Sim simulation environment was employed to the preliminary analysis of the proposed EDS architecture. Later, the EDS itself was embedded in a dSpace 1103 high-performance interface board so that real-time control of the rear wheels of the HELVIS platform was successfully achieved.

Educational Project for the Teaching of Control of Electric Traction Drives

Electric vehicles constitute a multidisciplinary subject that involves disciplines such as automotive, mechanical, electrical and control engineering. Due to this multidisciplinary technical nature, practical teaching methodologies are of special relevance. Paradoxically, in the past, the training of engineers specializing in this area has lacked the practical component represented by field tests, due to the difficulty of accessing real systems. This paper presents an educational project specifically designed for the teaching and training of engineering students with different backgrounds and experience. The teaching methodology focuses on the topology of electric traction drives and their control. It includes two stages, a simulation computer model and a scaled laboratory workbench that comprises a traction electrical drive coupled to a vehicle emulator. With this equipment, the effectiveness of different traction control strategies can be analyzed from the point of view of energy efficiency, robustness, easiness of implementation and acoustic noise.

Desenvolvimento do sistema de tracção de um veículo eléctrico ecológico com travagem regenerativa

Nesta dissertação descreve-se uma metodologia de dimensionamento do sistema de tracção para equipar um veículo eléctrico ecológico (VEECO) com inclusão de um sistema de travagem regenerativa. Apresenta-se uma perspectiva geral de diversas topologias de sistemas de tracção utilizadas nos veículos eléctricos e realiza-se a sua comparação através do estudo e análise dos acionamentos electromecânicos que podem ser utilizados nesses sistemas de tracção eléctrica. Utilizando ferramentas de simulação numérica, estuda-se o modelo matemático de um veículo eléctrico com travagem regenerativa. A partir deste modelo matemático é adoptado uma possível configuração para o seu sistema de tracção eléctrica e são obtidas características teóricas de desempenho do veículo eléctrico, através da análise de testes padrão ao veículo. Em banco de ensaios, constrói-se um sistema de tracção eléctrica que permite a validação experimental do modelo matemático do veículo eléctrico. Para a construção deste banco de ensaios foram concebidos os sistemas de tracção eléctrica, de carga mecânica e de controlo e monitorização do banco de ensaios. A validação experimental realiza-se através dos mesmos testes padrão ao veículo eléctrico, como o teste NEDC (New European Driving Cycle), o teste de aceleração entre 0 e 100km/h e o teste de gradeabilidade. Desenvolve-se o dimensionamento do sistema de tracção eléctrica a equipar o VEECO, através da componente de modelação paramétrica do modelo matemático do veículo eléctrico. Com esta metodologia é adoptado um conjunto de variáveis paramétricas relacionadas com os elementos que constituem o sistema de tracção eléctrica do VEECO. Estuda-se a influência destas variáveis paramétricas nas características de desempenho pretendidas para o VEECO. Como resultado da análise de modelação paramétrica é apresentada uma solução para o sistema de tracção eléctrica do VEECO que cumpre a execução do NEDC, apresenta um tempo de aceleração entre 0 e 100km/h inferior a 10 segundos, supera uma gradeabilidade de 10% e uma autonomia de 200 km. O sistema de tracção do VEECO também permite realizar a travagem regenerativa com rendimento até 33%. Possui controlo de tracção e anti bloqueio da roda motora, através de uma unidade de controlo que permite reduzir a potência transmitida ao veio, quando a velocidade da roda de tracção difere do valor de referência da velocidade do veículo. Os conhecimentos adquiridos através do processo de investigação e desenvolvimento, para a realização da presente dissertação permitem apresentar perspectivas de desenvolvimento futuro com aplicação nos sistemas de tracção de veículos eléctricos rodoviários.

Desenvolvimento do sistema de protecção, monitorização e gestão de baterias de iões de lítio do tipo LiFePO4 para aplicação em veículos eléctricos

A mobilidade é considerada um dos factores chave na sustentabilidade e desenvolvimento de qualquer economia. Em Portugal essa realidade não é diferente. Em 2011 verifica-se que 41% do consumo global de combustíveis pertence ao sector rodoviário [1] o que evidencia a sua relevância na economia do país. No que concerne aos veículos de tracção eléctrica, começaram a surgir nos finais do séc. XIX, e no início do séc. XX nos Estados Unidos da América representavam 38% dos veículos [2]. Diversos factores económicos e tecnológicos conduziram a um crescente desinteresse por parte da indústria em investir na produção deste tipo de veículos. Contudo com a introdução de baterias de iões de lítio em veículos de tracção eléctrica, torna-os viáveis e competitivos. Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um sistema de gestão de baterias de iões de lítio do tipo LiFePO4 para aplicação em veículos eléctricos. O sistema deverá assegurar a protecção das baterias e indicar o estado de carga das mesmas. Este sistema permitirá uma optimização no uso deste género de baterias, proporcionará uma melhor utilização, aumentando a sua vida útil. O sistema irá ser aplicado e testado experimentalmente no veículo eléctrico ecológico (Veeco). No âmbito do projecto Veeco foi projectado e construído um banco de ensaios utilizado na análise do comportamento das baterias, e determinar quais os requisitos necessários para o sistema de gestão desenvolvido. Foi também projectado e realizado um sistema de aquisição e processamento de dados que permite obter informações acerca da bateria, dados que estarão disponíveis no interface Homem-máquina do Veeco.

Conversão de veículos diesel para tração elétrica

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Modernização da linha da Beira Baixa: troço Covilhã - Guarda

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Vias de Comunicação e Transportes

Análise ao Sistema de Alimentação de Tração Elétrica (1x25 kV - Rede convencional, 2x25 kV –Rede convencional + Alta velocidade)

O transporte ferroviário é um meio de transporte em que o meio de deslocamento ocorre por meio de vias férreas, transportando, entre outros, pessoas e cargas. Este meio de transporte é um dos mais antigos e a sua origem está ligada directamente com a Primeira Revolução Industrial, acontecimento histórico que sucedeu na Europa no final do século XVIII e início do século XIX. Uma rede ferroviária é um sistema único no ponto de vista do uso de tração elétrica assim como no modo que se insere na sociedade por ser um meio de transporte seguro, rápido e bastante utilizado pela população. As redes de alimentação de energia (transporte e distribuição) e a rede de alta velocidade ditaram novas soluções para a alimentação elétrica ferroviária contribuindo para a sua evolução técnica, na segurança e também na compatibilidade eletromagnética no sentido de se estabelecerem critérios de controlo e prevenção dos efeitos indesejáveis provocados pela interferência magnética. O presente trabalho tem por objetivo analisar e estudar tecnicamente como se comportam as redes que alimentam os veículos de tração elétrica desde as subestações até à alimentação das locomotivas. Dada a complexidade da sua análise torna-se necessário o recurso a ferramentas de simulação mais ou menos complexas. No presente trabalho recorreu-se ao MATLABTM, nomeadamente, ao MATLABTM/Simulink. Foram analisadas as principais grandezas elétricas em cenários distintos para os sistemas de alimentação da catenária de 1x25 kV e 2x25 kV.

Controlador com FPGA para um motor-in-wheel CA de fluxo axial

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores

HPF boost interleaved operating in discontinuous conduction mode for trolleybus application

This paper deals with results of a research and development (R&D) project in cooperation with Electric Power Distribution Company in São Paulo (Brazil) regarding the development and experimental analysis of a new concept of power drive system suitable for application in traction systems of electrical vehicles pulled by electrical motors, which can be powered by urban DC or AC distribution networks. The proposed front-end structure is composed by five boost power cells in interleaving connection, operating in discontinuous conduction mode as AC-DC converter, or as DC-DC converter, in order to provide the proper DC output voltage range required by DC or AC adjustable speed drivers. Therefore, when supplied by single-phase AC distribution networks, and operating as AC-DC converter, it is capable to provide high power factor, reduced harmonic distortion in the input current, complying with the restrictions imposed by the IEC 61000-3-4 standards resulting in significant improvements for the trolleybuses systems efficiency and for the urban distribution network costs. Considering the compliance with input current restrictions imposed by IEC 61000-3-4 standards, two digital control strategies were evaluated. The digital controller has been implemented using a low cost FPGA (XC3S200) and developed totally using a hardware description language VHDL and fixed point arithmetic. Experimental results from a 15 kW low power scale prototype operating in DC and AC conditions are presented, in order to verify the feasibility and performance of the proposed system. © 2009 IEEE.

Estudo da topologia de motores de fluxo axial de excitação híbrida com foco na utilização em tração elétrica.

Os motores de corrente contínua convencionais são muito bem conhecidos pela sua robustez e pelo seu alto nível de controlabilidade, alem do fato de possibilitarem a operação na região de enfraquecimento de campo (modo motor), quando esta situação se fizer necessária. Por estas características, as máquinas de corrente contínua ainda são empregadas nos dias atuais em nichos específicos de utilização. Não obstante, a máquina c.c. apresenta algumas desvantagens, principalmente a intensiva e dispendiosa manutenção eletromecânica necessária para sua operação. Como opção de sanar este problema, surgiram na década de 60, as máquinas elétricas de corrente contínua sem escovas (brushless) com excitação por ímãs permanentes de fluxo trapezoidal. O problema destas máquinas se deve justamente a impossibilidade da variação de fluxo de excitação uma vez que são produzidos puramente pelos ímãs. Sendo assim, este trabalho tem como propósito, o estudo de topologias diferenciadas da máquina elétrica, através de um circuito magnético não convencional para aplicação e utilização em sistemas de tração elétrica para operação na região de enfraquecimento de campo através da variação do fluxo resultante no entreferro. Como objeto de estudo, foi focada a topologia de fluxo axial com excitação híbrida, ou seja, dupla excitação (excitação a ímãs permanentes e excitação elétrica). Para o projeto da topologia proposta, nesta tese, adicionalmente ao método analítico, foram realizadas simulações computacionais para a comparação e refinamento dos resultados das grandezas eletromagnéticas da máquina.

OnBoard reconfigurable battery charger for electric vehicles with traction-to-auxiliary mode

This paper proposes a single-phase reconfigurable battery charger for Electric Vehicle (EV) that operates in three different modes: Grid-to-Vehicle (G2V) mode, in which the traction batteries are charged from the power grid; Vehicle-to-Grid (V2G) mode, in which the traction batteries deliver part of the stored energy back to the power grid; and in Traction-to-Auxiliary (T2A) mode, in which the auxiliary battery is charged from the traction batteries. When connected to the power grid, the battery charger works with sinusoidal current in the AC side, for both G2V and V2G modes, and also regulates the reactive power. When the EV is disconnected from the power grid, the control algorithms are modified and the full-bridge AC-DC bidirectional converter works as a full-bridge isolated DC-DC converter that is used to charge the auxiliary battery of the EV, avoiding the use of an additional charger to accomplish this task. To assess the behavior of the proposed reconfigurable battery charger under different operation scenarios, a 3.6 kW laboratory prototype has been developed and experimental results are presented.

Field oriented control of an axial flux permanent magnet synchronous motor for traction solutions

Electric Vehicles (EVs) are increasingly used nowadays, and different powertrain solutions can be adopted. This paper describes the control system of an axial flux Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) for EVs powertrain. It is described the implemented Field Oriented Control (FOC) algorithm and the Space Vector Modulation (SVM) technique. Also, the mathematical model of the PMSM is presented. Both, simulation and experimental, results with different types of mechanical load are presented. The experimental results were obtained using a laboratory test bench. The obtained results are discussed.

Design of salient pole PM synchronous machines for a vehicle traction application – Analysis and

This doctoral thesis presents a study on the development of a liquid-cooled frame salient pole permanent-magnet-exited traction machine for a four-wheel-driven electric car. The emphasis of the thesis is put on a radial flux machine design in order to achieve a light-weight machine structure for traction applications. The design features combine electromagnetic and thermal design methods, because traction machine operation does not have a strict operating point. Arbitrary load cycles and the flexible supply require special attention in the design process. It is shown that accurate modelling of the machine magnetic state is essential for high-performance operation. The saturation effect related to the cross-saturation has to be taken carefully into account in order to achieve the desired operation. Two prototype machines have been designed and built for testing: one totally enclosed machine with a special magnet module pole arrangement and another through-ventilated machine with a more traditional embedded magnet structure. Both structures are built with magnetically salient structures in order to increase the torque production capability with the reluctance torque component. Both machine structures show potential for traction usage. However, the traditional embedded magnet design turns out to be mechanically the more secure one of these two machine options.

Design and Drive-Cycle Based Analysis of Direct-Driven Permanent Magnet Synchronous Machine for a Small Urban Use Electric Vehicle

A direct-driven permanent magnet synchronous machine for a small urban use electric vehicle is presented. The measured performance of the machine at the test bench as well as the performance over the modified New European Drive Cycle will be given. The effect of optimal current components, maximizing the efficiency and taking into account the iron loss, is compared with the simple id=0 – control. The machine currents and losses during the drive cycle are calculated and compared with each other.

DC traction load flow including AC distribution network

In the first part some information and characterisation about an AC distribution network that feeds traction substations and their possible influences on the DC traction load flow are presented. Those influences are investigated and mathematically modelled. To corroborate the mathematical model, an example is presented and their results are confronted with real measurements.