Methodologies for development of series-hybrid powertrains to non-road mobile machineries
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-12-13
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
137 + app. 77
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 157/2013
Abstract
This dissertation is about the assessment and development methodologies of series-hybrid powertrains to non-road mobile machineries. The development and optimization of alternative powertrains require computational methodologies for different fidelity levels in order to maintain manageability and effectiveness of analyses. This dissertation uses a multi-stage modeling approach for a large-signal analysis of system-level designs. A small-signal approach is proposed for the stability assessments of DC-buses in power-electronics systems. The multi-stage modeling approach is used systematically for assessments of the diesel- electric powertrain with the power buffering by the active ultracapacitor. These assessments include design and validation of energy management algorithms for the powertrain. This energy management is described as the indirect power buffering, due to low-level controls of converters. The partial differential equations and the Monte Carlo method are used for error and sensitivity analyses of these assessments. Knowledge of achievable accuracies and restrictions of the multi-stage approach have been attained with experiments and assessments. The multi-stage modeling approach is used for evaluations of feasibilities and features of powertrain options in a non-road mobile machinery case. Mutual relations of the features of powertrain options, such as size, weight, cost, and efficiency, are concluded. This knowledge is a base for the choice between powertrain options, and enables optimization of the powertrain with respect to a single feature. The significance of this approach is on the management of the complex entity, i.e., the design of complete series-hybrid powertrains. A systematic approach for the dynamic modeling of DC-buses in power-electronics systems is introduced. This approach facilitates designs of load and source converter controllers in such a system. It can be used to derive the maximum lengths of the DC-bus cabling, as well as the minimum values and distribution of the DC-bus capacitances.Tämä väitöskirja käsittelee liikkuvien työkoneiden sarjahybridivoimansiirron analysointi- ja kehittämismenetelmiä. Eritasoisia laskentamenetelmiä tarvitaan vaihtoehtoisten voimansiirtojen kehittämiseen ja optimointiin, jotta laskennan hallittavuus ja tehokkuus säilyisivät. Tämä väitöskirja esittelee moniasteisen mallinnusmenetelmän sarjahybridivoimansiirron järjestelmätason vaihtoehtojen analysointia ja kehittämistä varten, sekä hyödyntää menetelmää systemaattisesti. Lisäksi tässä väitöskirjassa ehdotetaan systemaattista lähestymistapaa tehoelektroniikkajärjestelmissä käytettyjen tasajänniteväylien stabiiliustarkasteluun. Moniasteista mallinnusmenetelmää käytetään systemaattisesti aktiivisella ultrakondensaattorilla puskuroidun dieselsähköisen voimansiirron tarkasteluihin. Nämä tarkastelut koostuvat energianhallinta-algoritmien suunnittelusta ja toiminnan oikeellisuuden varmentamisesta mittauksilla. Laitetason säädinten valinnasta johtuen kyseistä energianhallintaa kuvataan tehon epäsuoraksi puskuroinniksi. Näiden tarkastelujen virhe- ja herkkyysarviointeihin käytetään osittaisdifferentiaaliyhtälöitä ja Monte Carlo -menetelmää, joilla analysoidaan teoreettisesti mallinnusmenetelmän tarkkuutta. Lisäksi vertailumittaukset lisäävät ymmärrystä mallinnusmenetelmän tarkkuudesta ja rajoitteista. Väitöskirjassa käytetään moniasteista mallinnusmenetelmää myös liikkuvan työkoneen vaihtoehtoisten sarjahybridivoimansiirtojen ominaisuuksien määrittämiseksi. Keskinäiset suhteet eri voimansiirtoratkaisujen koolle, painolle, hinnalle ja hyötysuhteelle esitetään erään liikkuvan työkoneen tapauksessa. Tarkastelulla saavutettu tieto mahdollistaa valinnan eri voimansiirtoratkaisujen välillä ja siten myös voimansiirron yksittäisen ominaisuuden optimoinnin. Esitelty mallinnusmenetelmä auttaa monimutkaisen järjestelmän suunnittelussa. Dynaaminen mallintaminen on oleellinen osa järjestelmien suunnittelussa. Sen vuoksi tässä väitöskirjassa ehdotetaan systemaattista lähestymistapaa tehoelektroniikkajärjestelmissä käytettyjen tasajänniteväylien stabiiliustarkasteluun. Kyseinen lähestymistapa helpottaa järjestelmän suuntaajien säädinten suunnittelua. Lähestymistapaa voidaan käyttää tasajänniteväylän kaapeleiden maksimipituuksien ja kapasitanssin suuruuden sekä jakautumisen määrittämiseksi.Description
Supervising professor
Ovaska, Seppo J., Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering, FinlandThesis advisor
Suomela, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Automation and Systems Technology, FinlandKeywords
DC-bus systems, diesel electric, energy buffering, fuel cell, mobile work machine, modeling, powertrain design, series hybrid, ultracapacitor, dieselsähköinen, energian puskurointi, liikkuva työkone, mallintaminen, polttokenno, sarjahybridi, tasajänniteväylä, ultrakondensaattori, voimansiirron suunnittelu
Other note
Parts
- [Publication 1]: J. Halme, M. Liukkonen, M. Heiska, and J. Suomela. Power bus control for series hybrid heavy-duty vehicles. World Electric Vehicle J., 3(1), May 2009.
- [Publication 2]: M. Liukkonen, A. Hentunen, J. Suomela, and J. Kyyrä. Low-pass filtered power-flow control in series hybrid electric vehicle. In Proc. 24th Elect. Veh. Symp., Stavanger, Norway, May 2009.
- [Publication 3]: M. Liukkonen, A. Hentunen, and J. Suomela. Validation of quasistatic series hybrid electric vehicle simulation model. In Proc. IEEE Veh. Power and Propulsion Conf.’10, Lille, France, Sept. 2010.
- [Publication 4]: M. Liukkonen, A. Hentunen, and J. Suomela. Analysis of the ultracapacitor module in power buffering. In Proc. 4th European Symp. on Super Capacitors and Applicat., Bordeaux, France, Oct. 2010.
- [Publication 5]: M. Liukkonen, A. Lajunen, and J. Suomela. Feasibility study of fuel cell-hybrid powertrains in non-road mobile machineries. Automation in Construction, 35(1):296-305, Nov. 2013.
- [Publication 6]: M. Liukkonen and J. Suomela. Design of an energy management scheme for a series-hybrid powertrain. In Proc. IEEE Transportation Electrification Conf. and Expo, Dearborn, MI, June 2012.
- [Publication 7]: M. Liukkonen, M. Hinkkanen, J. Kyyrä, and S. J. Ovaska. Modeling of multiport DC busses in power-electronic systems. In Proc. IEEE Int. Conf. on Ind. Tech., pp. 740−745, Cape Town, South Africa, Feb. 2013.
