Series Hybrid Mining Loader with Zonal Hydraulics

Presently, there is a four-year window to prepare engines for upcoming TIER V regulations through solutions for peak power shaving and downsizing of diesel engines. In particular, Non-road mobile machinery(NRMM) offer a promising and challenging field of application due to their duty cycles, which includes high and short power peaks and extreme working conditions. In this paper, a series hybrid electric powertrain for a mining loader is presented with the goal of reducing the fuel consumption. A full-scale mining loader powertrain prototype was built to exploit the benefits of a series hybrid electric powertrain at low traction requirements with a combination of decentralized e.g. zonal hydraulics. Corespondingly, this paper introduces the structure of the mining loader and initial mathematical model of the system of a Direct Driven hydraulics (DDH). In this research, an experimental test was conducted, and the initial results are presented in this paper

Керування електромеханічними системами електричних транспортних засобів з гібридним акумуляторно-суперконденсаторним джерелом живлення

исертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. У дисертаційній роботі вирішується задача розвитку методів синтезу та аналізу тягових електромеханічних систем (ЕМС) на базі векторно-керованих асинхронних двигунів (АД) і синхронних двигунів з постійними магнітами (СДПМ) з гібридними джерелами живлення (ГДЖ) на основі акумуляторних батарей (АКБ) і блоку суперконденсаторів (СК), спрямована на підвищення їх статичних, динамічних та енергетичних характеристик за рахунок розробки і впровадження методів нелінійного і адаптивного керування. У першому розділі проведено аналіз існуючих методів керування тяговими електромеханічними системами з ГДЖ з метою обґрунтування необхідності вирішення науково-прикладної задачі, яка розглядається в роботі. За результатами аналітичного огляду встановлено, що системи ослаблення поля АД не забезпечують повне використання потужності джерела; для живлення типових ЕТЗ використовуються тільки АКБ, що спричиняє їх прискорене старіння. Типові системи керування ГДЖ на основі лінійних пропорційно-інтегральних регуляторів (ПІ-регуляторів) струмів і напруги з фільтром низьких частот (ФНЧ) не мають строгого теоретичного обґрунтування, стійкість суттєво нелінійних систем не доведено. Як наслідок, підсистеми керування ГДЖ і тяговим електроприводом (ЕП) є взаємозв’язаними і чутливими до координатних і параметричних збурень, основними з яких є варіації активного опору ротора АД, електричних параметрів СДПМ і параметрів DC-DC перетворювачів. Вказані збурення в існуючих системах призводять до деградації динамічних показників якості керування і зниження енергетичної ефективності процесів електромеханічного перетворення енергії.У другому розділі розроблено нові алгоритми ослаблення поля в системах векторного керування АД, які забезпечують більш повне використання потужності джерела, а також синтезовано з використанням другого методу Ляпунова адаптивний спостерігач активного опору ротора АД і алгоритми ідентифікації параметрів СДПМ, які забезпечують глобально стійкий процес оцінювання і є простішими у використанні, ніж існуючі аналоги. У третьому розділі виконано теоретичний аналіз та дослідження властивостей стійкості і характеристик систем керування класом реверсивних DC-DC перетворювачів як нелінійних немінімально-фазових об’єктів керування в стандартній конфігурації з лінійними ПІ-регуляторами струму та напруги. Розроблений метод синтезу і аналізу систем керування DC-DC перетворювачами базується на використанні часткової лінеаризації зворотним зв’язком. В результаті теоретичного аналізу встановлено, що: результуюча структура системи керування має вигляд послідовного з’єднання двох лінійних асимптотично стійких підсистем у контурі нелінійного зворотного зв’язку з білінійними властивостями; структура системи керування вперше дозволяє лінеаризацію відносно фізично обумовленої множини рішень, яка представляє собою рівняння балансу потужностей; лінеаризована система набуває форми, яка дозволяє використовувати теорію каскадних систем з розділенням у часі процесів у контурах регулювання так, що процеси у внутрішньому контурі (струму) у декілька разів більш швидкі у порівнянні із зовнішнім (напруги); налаштування регуляторів з оптимізацією за «симетричним» оптимумом дозволяє формувати показники якості керування. Вперше показано яким чином струм навантаження впливає на структуру систем керування DC-DC перетворювачами та їх параметри, що дозволяє здійснювати робастне налаштування регуляторів для підвищення навантажувальної здатності перетворювачів. Показано, що завдяки компенсації струму навантаження забезпечується підвищення динамічної точності стабілізації напруги. Теоретично, за допомогою другого методу Ляпунова, обґрунтовано структуру коригуючих зворотних зв’язків алгоритму ідентифікації параметрів DC-DC перетворювачів, який, на відміну від існуючих, має прозорі умови персистності збудження, що гарантує властивості глобальної експоненційної стійкості, не потребує інформації про їх початкові значення, а також має простішу форму. У четвертому розділі вперше теоретично обґрунтовано структуру композитної системи керування ГДЖ, що складається зі зв’язаних підсистем регулювання вихідної напруги, струмів АКБ і СК, фільтру розподілу частот (ФРЧ) і підсистеми регулювання напруги СК. Доведено, шляхом розгляду динаміки системи зниженого порядку, що масштабування завдання струму СК у функції співвідношення напруг АКБ і СК у складі ФРЧ (лінеаризація зворотним зв’язком), а також формування розділення у часі динаміки у контурах регулювання забезпечують асимптотичне регулювання напруги ланки постійного струму і розподіл динамічних складових струмів АКБ і СК. Показано, що компенсація струму навантаження підвищує динамічні показники якості регулювання напруги. Розроблено новий алгоритм регулювання напруги (заряду) блоку СК і надано рекомендації з його налаштування, яке гарантує, що процес заряду не впливає на регулювання вихідної напруги ГДЖ. У п’ятому розділі обґрунтовано концепцію експериментальних досліджень тягових ЕМС з ГДЖ, яка дозволяє розробляти уніфіковані експериментальні установки для повномасштабних тестувань широкого спектру алгоритмів керування в умовах, які наближені до існуючих в реальних ЕТЗ. Розроблено структуру, виготовлено і налагоджено станцію швидкого прототипного тестування для дослідження тягових ЕМС, яка складається з АД потужністю 0.7 кВт, СДПМ 3 кВт, літій-іонних і свинцево-кислотних АКБ і блоку СК з DC-DC перетворювачами, яка дозволила провести повномасштабні експериментальні тестування розроблених структур керування з метою підтвердження теоретичних висновків роботи та виявлення ефектів, які не враховуються при синтезі та моделюванні. Керування установкою здійснюється з використанням контролера на основі цифрового сигнального процесора TMS320F28335 та розробленого для нього програмного забезпечення, що в реальному часі реалізує розроблені алгоритми керування. Розроблено методику дослідження динамічних процесів енергообміну між джерелами живлення і тяговим ЕП, яка дозволяє формувати струми навантаження, які відповідають типовим діаграмам руху ЕТЗ і дають можливість оцінювати ефективність розподілу струмів між АКБ і СК на кожній з ділянок руху ЕТЗ. З результатів верифікації параметрів АКБ і блоку СК і дослідження динамічних режимів DC-DC перетворювачів встановлено, що стандартні моделі АКБ та СК на основі обґрунтованих припущень поєднують простоту та достатню точність для дослідження процесів енергообміну в тягових ЕМС. Проведено цикл повномасштабних досліджень ГДЖ тягових ЕМС, який включає відпрацювання навантажень сформованих діаграмами руху ЕТЗ. Результати експериментальних досліджень співпадають з результатами математичного моделювання з достатньою точністю для комплексних тягових ЕМС. З порівняльного тестування встановлено, що розроблений алгоритм керування повністю керованими ГДЖ забезпечує зменшення інтегральних середньоквадратичних значень струму елементу АКБ і його похідної, порівняно з живленням від АКБ і типових топологій ГДЖ, що сприяє зниженню втрат і подовженню терміну експлуатації АКБ. Встановлено, що серед розглянутих топологій повністю керовані ГДЖ мають найкращі властивості регулювання напруги, розподілу струмів між АКБ і СК та обмеження струму АКБ. Результати роботи впроваджено: в ТОВ «Політехносервіс» (м. Бровари) та в освітній процес у Київському політехнічному інституті імені Ігоря Сікорського для вдосконалення лекційних курсів та оновлення циклів лабораторних робіт дисциплін «Електромеханічні системи електричних транспортних засобів» і «Керування перетворенням енергії в відновлюваних джерелах та електромобілях». Подальше впровадження результатів дисертації рекомендується на підприємствах електротехнічного профілю України.Thesis for the Doctor of Philosophy degree in specialty 141 – ‘Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics’, National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2023. The thesis is devoted to design methods development of traction electromechanical systems (EMS) based on AC vector-controlled electric drives (ED) with batteriessupercapacitors (SC) hybrid energy storage systems (HESS) aimed at improving static, dynamic, and energy characteristics through the development and implementation of nonlinear and adaptive control methods. The first section analyzes the existing traction EMS with HESS control methods to substantiate the importance to solve the scientific and applied problem considered in the thesis. Based on the results of the analytical review, it was found that the induction IM field-weakening systems do not ensure the full utilization of the primary source power. The batteries-only energy sources are typically applied to power modern electric vehicles (EV) which causes their accelerated aging. Typical HESS control systems which are based on linear proportional-integral controllers (PI-controllers) of currents and voltages with a low-pass filter (LPF) do not have a rigorous rationale, and the stability of significantly nonlinear systems has not been proven. As a result, the HESS and traction ED subsystems are interconnected and sensitive to coordinate and parametric disturbances. The main of which are variations of the IM active rotor resistance, PMSM and DC-DC converters electrical parameters. These perturbations lead to degradation of dynamic control quality indicators and reduction of energy efficiency of electromechanical energy conversion processes in existing systems. In the second section, new field-weakening algorithms in IM field-oriented control systems are developed, which provide a more complete usage of the source power. Also an adaptive observer of the IM active rotor resistance is designed, as well as identification algorithms of PMSM parameters, using the second Lyapunov method. They provide a globally stable estimation and are easier to use than existing analogues. In the third section, a theoretical study of the stability properties and characteristics of bidirectional DC-DC boost converters control systems were performed. Note that they are nonlinear non-minimum-phase control plants. The standard configuration with linear PI current and voltage controllers was considered. The developed control system design method for DC-DC converters is based on the partial feedback linearization. As a result of the theoretical analysis, it was found that: the resulting structure of the control system is in the form of a sequential connection of two linear asymptotically stable subsystems in a nonlinear feedback loop with bilinear properties. For the first time, the structure of the control system provides linearization with respect to a physically determined manifold, which is the power balance equation. The form of the linearized system allows the use of the theory of cascaded systems with the time-scale separation such that the internal (current) control loop is several times faster than the external (voltage) control loop. Tuning of controllers with optimization by the ‘symmetric’ optimum allows the formation of control quality indicators. For the first time the mechanism of the load current affecting the structure of DCDC converter control systems and their parameters is shown. It provides more robust tuning of the controllers to increase the converters load capacity. It is shown that the load current compensation in a controller improves the dynamic voltage stabilization accuracy. The structure of corrective feedbacks of the DC-DC converters parameters identification algorithm is theoretically substantiated using the second Lyapunov method. Unlike the existing solutions, it has transparent persistency of excitation conditions, which guarantees the global exponential stability properties. It also does not require additional equipment or information about their initial values, and has a simpler form. In the fourth section, for the first time, the structure of composite HESS control system is theoretically substantiated. It consists of coupled DC-link voltage, battery and SC currents subsystems, a frequency distribution filter (FDF), and a SC voltage control subsystem. It is proved, by considering the reduced-order system dynamics, that the SC current reference scaling as a function of the battery and SC voltages ratio in the FDF (feedback linearization), as well as the time-scale separation of control loops provide asymptotic DC link voltage control and the battery and SC currents components dynamic distribution. It has been shown that the load current compensation improves the dynamic quality indicators of DC-link voltage regulation. A new SC voltage (charge) controller has been developed. Tuning recommendations ensure that the SC charging process does not affect the DC-link voltage regulation. In the fifth section, a concept of EMS with HESS experimental studies is substantiated. It allows to develop unified experimental installations for full-scale testing of a wide range of control algorithms under conditions close to those existing in real EV. The rapid prototyping station for the study of traction EMS was designed, manufactured and commissioned. It consists of a 0.7 kW IM, a 3 kW PMSM, lithium-ion and lead-acid batteries, and a SC unit with DC-DC converters. The full-scale experimental testing of the developed control structures were performed on the rapid prototyping station to confirm the theoretical conclusions and identify effects that are not taken into account during design and in simulation. The setup is controlled by a controller based on TMS320F28335 digital signal processor and the developed software which implements the control algorithms in real time. A methodology for studying the dynamic processes of energy exchange between energy sources and traction ED has been developed. It provides the ability to set the load currents profiles that correspond to typical diagrams of EV movement. It also makes it possible to assess the current distribution efficiency between the battery and the SC at each of EV movement sections. Based on the results of the battery and the SC unit parameters verification and the DC-DC converters dynamic modes study, it was found that the standard battery and SC unit models, based on reasonable assumptions, combine simplicity and sufficient accuracy for studying the processes of energy exchange in traction EMS. A cycle of full-scale HESS studies was carried out as a part of traction EMS including the stabilization of loads formed by the EV movement diagrams. The experimental results coincide with the simulation results with sufficient accuracy for complex traction EMS. From comparative testing results, it goes that the developed control algorithm for full-active HESS provides a reduction in the integrated root-mean-square values of the battery cell current and its derivative, compared to battery-only supply and typical HESS topologies, which contributes to reduce losses and extend the battery life. It was found that full-active HESS has the best properties of voltage regulation, the battery and SC current distribution, and battery current limitation among the considered topologies. The results of the thesis have been implemented: in Politechnoservice LLC (Brovary, Ukraine) and in the educational process at the Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute to improve lecture courses and update the laboratory works cycle in the disciplines ‘Electric Vehicle Electromechanical Systems’ and ‘Energy Conversion Control in Renewable Sources and Electric Vehicles’. Further implementation of the thesis results is recommended at the enterprises of the electrical engineering profile of Ukraine