Solução unificada para tração e carregamento das baterias em veículos elétricos
Abstract
Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores Nowadays, Electric Vehicles are emerging as the most sustainable alternative to support the expected rise in the number of vehicles in circulation around the world, and to reduce the impact of the transportation sector on the environment. However, this is a technology that still has some limitations that restrict its mainstream adoption. Typically, an Electric Vehicle has a motor drive system and an on-board battery charger that allows charging its battery pack almost anywhere, as long as there is an electrical outlet available. However, this is usually a low-power charger in order to optimize the space and weight on-board the vehicle. As a result, this type of charging typically takes a couple of hours. The purpose of this MSc. Thesis was the development of a unified power electronics converter, capable of performing the roles of drive the electrical machine of an Electric Vehicle and also charging its battery pack, so as to optimize the space and weight of the power electronics components on-board the vehicle while also providing a faster charging operation. The first part of this MSc. Thesis consisted in the study of the state of art of the unified hardware solutions proposed, based on the use of the power electronics components of the motor drive system during the battery charging operation, since both operation modes cannot be performed simultaneously, except for regenerative breaking. Also the respective control algorithms that allow perform each operation mode, according with the solution proposed, were studied. The second part consisted in simulating the proposed unified solution and implementing a proof-of-concept prototype. In the proposed solution the battery charger is based on the use of a three-phase Voltage Source Inverter and the windings of a Brushless DC machine. With respect to the control algorithms, for the motor drive mode the Field-Oriented Control was chosen, while for the battery charging mode two control algorithms were chosen (one for single-phase charging and the other for three-phase charging), based on the Model Predictive Control. The obtained results validate the proposed solution. However, in the case of the electrical machine used in this MSc. Thesis, the values of the inductances of its windings compromise its use as an input filter. Atualmente os Veículos Elétricos surgem como a alternativa mais sustentável perante o aumento expectável do número de veículos em circulação no mundo e por forma a reduzir o impacto ambiental do sector do transporte. Contudo, esta é ainda uma tecnologia com algumas limitações, que ainda não permitiram a sua aquisição em maior escala. Tipicamente um Veículo Elétrico possui um sistema de tração e um sistema de carregamento, que permite carregar as suas baterias em praticamente qualquer local, desde que haja disponível uma tomada ligada à rede elétrica. No entanto, este sistema de carregamento tem normalmente uma potência instalada baixa, por forma a otimizar o espaço e peso ocupados no interior do veículo. Como resultado, este tipo de carregamento demora tipicamente algumas horas. Esta Dissertação de Mestrado teve como objetivo o desenvolvimento de um conversor unificado, capaz de controlar a máquina elétrica usada para a tração de um Veículo Elétrico e de carregar as suas baterias, permitindo otimizar ainda mais o espaço e peso ocupados pelos componentes de eletrónica de potência instalados no veículo e possibilitar ainda carregamentos mais rápidos. A primeira parte desta Dissertação consistiu num estudo do estado da arte de sistemas de hardware unificados, baseados na utilização dos componentes de eletrónica de potência do sistema de tração durante o modo de carregamento das baterias, tendo em conta que as duas operações não podem ser realizadas em simultâneo, exceto para travagem regenerativa. Também foram estudados os algoritmos de controlo que permitem executar cada uma das operações, de acordo com a topologia proposta. A segunda parte consistiu na simulação da solução proposta e na implementação de um protótipo para demonstração da funcionalidade. Nesta solução proposta, o sistema de carregamento baseia-se na utilização de um inversor trifásico do tipo Voltage Source Inverter e dos enrolamentos de uma máquina elétrica do tipo Brushless DC. Em relação aos algoritmos de controlo, para o modo de tração foi selecionado o Controlo por Orientação de Campo (Field-Oriented Control), enquanto que para o modo de carregamento foram selecionados dois algoritmos (um para carregamento monofásico e outro para trifásico), baseados no Controlo Preditivo (Model Predictive Control). Os resultados obtidos permitiram validar a solução proposta. Contudo, os baixos valores de indutância da máquina elétrica usada comprometem o seu uso como filtro de entrada.Abstract
Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores Nowadays, Electric Vehicles are emerging as the most sustainable alternative to support the expected rise in the number of vehicles in circulation around the world, and to reduce the impact of [...]
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Traffic optimization at the Application Level Proof of Concept, development and usefulness evaluation of the ALTO solution
Abstract
This paper presents an overview, proof of concept, and a preliminary demonstrative benchmarking study of the Application-Layer Traffic Optimization (ALTO) architecture proposed by the IETF ALTO Working Group. The main ALTO system purpose is to allow applications to get a more complete view of the underlying network infrastructure, allowing for wellreasoned connection decisions in situations of service redundancy. This paper first begins with a technical description of the ALTO project, and afterwards evaluates how P2P applications, guided by our proposed prototype implementation of the ALTO architecture, perform in comparison to traditional peer selection algorithms on the task of downloading a file in a typical file-sharing P2P network environment. The obtained results from our developed ALTO prototype system state that an application guided by the ALTO solution reduced overall network usage by around 40% with no significant impact in the application performance. FCT - Fundação para a Ciência e Tecnologia within the R&D Units Project Scope: UIDB/00319/2020Abstract
This paper presents an overview, proof of concept, and a preliminary demonstrative benchmarking study of the Application-Layer Traffic Optimization (ALTO) architecture proposed by the IETF ALTO Working Group. The main ALTO system purpose is to allow applications to get a more complete [...]- 1
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Optimizing load balancing routing mechanisms with evolutionary computation
Abstract
Link State routing protocols, such as Open Shortest Path First (OSPF), are widely applied to intra-domain routing in todays IP networks. They provide a good scalability without lost of simplicity. A router running OSPF distributes traf- fic uniformly over Equal-cost Multi-path (ECMP), enabling a better distribution of packets among the existent links. More recently, other load balancing strategies, that consider non even splitting of traffic, have been put forward. Such is the case of the Distributed Exponentially-weighted Flow SpliTting (DEFT), that enables traf- fic to be directed through non equal-cost multi-paths, while preserving the OSPF simplicity. As the optimal link weight computation is known to be NP-hard, intel- ligence heuristics are particularly suited to address this optimization problem. In this context, this work compares the solutions provided by Evolutionary Al- gorithms (EA) for the weight setting problem, considering both ECMP and DEFT load balancing alternatives. In addition to a single objective network congestion optimization problem, both load balancing schemes are also applied to a multi- objective optimization approach able to attain routing configurations resilient to traffic demand variations. COMPETE: POCI-01-0145-FEDER-007043 and FCT - Fundação para a Ciência e Tecnologia This work has been supported by COMPETE: POCI-01-0145-FEDER-007043 and FCT -Fundação para a Ciência e Tecnologia within the ProjectScope: UID/CEC/00319/2013.Abstract
Link State routing protocols, such as Open Shortest Path First (OSPF), are widely applied to intra-domain routing in todays IP networks. They provide a good scalability without lost of simplicity. A router running OSPF distributes traf- fic uniformly over Equal-cost Multi-path (ECMP), [...]- 1
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A feasibility study on the use of smartphone sensors for development of Advanced Driver Assistance Systems
Abstract
Dissertação de mestrado integrado em Computer Science Technological evolution is impacting several industries, e.g., by allowing them to deliver higher levels of functionality. The automotive industry is an example of how technology is supporting the development of new solutions in vehicle safety and comfort. Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) are cases of solutions that evolved significantly in recent years. This is possible not only due to the progress of electronic solutions but also because of higher quality in software. The smartphone is an example of this evolution with a broad range of applicability since these devices have been used to develop ADAS, making them an interesting cost-effective platform to develop such systems. Previous research has shown smartphones’ ability to output sensors data with the necessary quality for a broad number of applications with special focus in inertial sensors. However, such studies tend to be difficult to reproduce or lack the desired detail levels of their experimental methods. Concerns about how good are smartphone sensors and their use to develop ADAS emerge when reading existing literature, particularly, how the context of collecting data is controlled and which variables impact the collection process. In order to assess the feasibility of using smartphones as sensing devices, questions arise on how different parts of the collection setup affect the quality of data collected. Motivated by those questions, a study considering four different hypotheses is proposed to assess the impact of a controlled set of variables, namely: brands of inertial sensors, car mounts, sensor sampling rates, and vehicles. A set of controlled experiments is performed to assess the impact of each variable in the collection process of inertial sensors, more precisely the vertical acceleration. To perform the experiments, three special-purpose tools were developed. Smartphones used in the experiments feature an application to collect and export their sensors data. A researcher of an experiment operates another smartphone application to annotate road anomalies found while driving. A desktop application automates the computation and statistical validation of the vertical acceleration correlation from different setups. Dynamic Time Warping was used to compute the correlation coefficient of vertical acceleration as measured by different devices. Results show a baseline correlation coefficient of 0.892 with a standard configuration of software and hardware. When one of the independent variables is changed, the resulting coefficients range from 0.827 to 0.848. Randomization tests were executed to statistically validate experiments results, making use of a Random Shuffle algorithm on surrogate data. Such tests rejected all four proposed null hypotheses regarding dissimilarities on vertical acceleration sensed by different setups. From the controlled experiment a deeper understanding of the variables influencing data collection with smartphones was obtained. Results showed that varying the inertial sensors, car mounts, rates of sampling, or vehicles had a low impact on vertical acceleration sensed by smartphones. This is a good indicator that smartphones can be used to develop ADAS without the need to standardize every part of the collection setup. Thus, it possible to foresee the deployment of a system to a wider audience by taking advantage of existing equipment. A evolução tecnológica está a afectar várias indústrias, por exemplo, ao capacitá-las para fornecer níveis mais elevados de funcionalidade. A indústria automóvel é um exemplo da forma como a tecnologia está a apoiar o desenvolvimento de novas soluções de conforto e segurança automóvel. Os Sistemas Avançados de Assistência ao Condutor – Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) – são casos de soluções que evoluíram significativamente nos últimos anos. Para tal, não só contribuiu o progresso de soluções electrónicas, mas também o aumento de qualidade do software. Os smartphones são um exemplo desta evolução de ampla aplicabilidade, sendo já utilizados para desenvolver ADAS e uma interessante plataforma para desenvolver tais sistemas com baixo custo. Estudos anteriores demostraram a capacidade dos smartphones para fornecer dados de sensores com a qualidade necessária para um grande número de aplicações, com especial foco nos sensores inerciais. No entanto, tais estudos tendem a ser de difícil reprodução ou não possuem o nível de detalhe desejado nos seus métodos experimentais. Questões sobre a qualidade dos sensores dos smartphones e o seu uso para desenvolver ADAS surgem do estudo da literatura existente, particularmente como a recolha de dados pode ser controlada e que variáveis têm impacto nesse processo. Para avaliar a viabilidade do uso de smartphones como dispositivos sensoriais, nascem questões sobre como as diferentes partes do sistema afetam a qualidade dos dados recolhidos por ele. Motivado por essas questões, é proposto o estudo de quatro hipóteses para medir o impacto de um conjunto de variáveis, a saber: sensores inerciais, suportes de telemóvel, taxas de amostragem dos sensores, e veículos. Experiências controladas são realizadas para estudar o impacto de cada variável no processo de recolha de dados de sensores, mais precisamente a aceleração vertical. Foram desenvolvidas três ferramentas de software para a realização das experiências. Os smartphones usados possuem uma aplicação para recolher e exportar os dados dos seus sensores. Durante a experiência, um investigador utiliza outra aplicação de smartphone para anotar as anomalias da estrada encontradas durante a condução. Uma aplicação de desktop automatiza a computação e validação estatistica da correlação da aceleração vertical medida por diferentes dispositivos. O coeficiente de correlação da aceleração vertical medida por diferentes dispositivos fez-se usando o algoritmo Dynamic Time Warping. Os resultados mostram um coeficiente de 0.892 com uma configuração padrão de software e hardware, que serve como base de análise. Quando uma das variáveis independentes é alterada, os coeficientes resultantes variam entre 0.827 e 0.848. Testes de permutação foram executados para validar estatisticamente os resultados experimentais, usando o algoritmo Random Shuffle sobre dados substitutos. Esses testes rejeitaram as quatro hipóteses nulas relativas à diferença de aceleração vertical detetada por diferentes dispositivos. A partir das experiências obteve-se uma compreensão aprofundada das variáveis que influenciam a coleção de dados com smartphones. Os resultados mostram que variar os sensores inerciais, suportes de telemóvel, taxas de amostragem, e veículos tem baixo impacto na aceleração vertical detetada. Isto indica que estes dispositivos podem ser usados para desenvolver ADAS sem a necessidade de padronizar cada peça da recolha de dados. Assim, é possível antever o desenvolvimento de um sistema para um público mais amplo, tirando partido de equipamentos já existentes.
Abstract
Dissertação de mestrado integrado em Computer Science Technological evolution is impacting several industries, e.g., by allowing them to deliver higher levels of functionality. The automotive industry is an example of how technology is supporting the development of [...]
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