Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της κατασκευής και την ανάπτυξη ενός πειραματικού οχήματος πόλης με ενεργό διαφορικό ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη του ακριβούς ελέγχου της κίνησης των κινητήριων τροχών του οχήματος κατασκευάζοντας ένα ηλεκτρονικό διαφορικό. Ταυτόχρονα αναπτύχθηκε σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών. Αρχικά εξετάζεται η λειτουργία του μηχανικού διαφορικού και τω εφαρμογών του. Παρουσιάζονται μερικοί τύποι μηχανικών διαφορικών και αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που τους συνοδεύουν. Ακολουθεί η μελέτη της συμπεριφοράς της τροχιάς του άξονα κίνησης με τις χαρακτηριστικές εξισώσεις που περιγράφουν τις ταχύτητες των κινητήριων τροχών. Παράλληλα εξετάζονται οι μέθοδοι αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς. Γίνεται εκτενής παρουσίαση του τρόπου λειτουργίας και των τύπων των συσσωρευτών καθώς και των συστημάτων παρακολούθησης και ελέγχου τους. Στη συνέχεια προσδιορίζονται οι προδιαγραφές του ηλεκτροκίνητου οχήματος και γίνεται μελέτη και υπολογισμός του απαραίτητου ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Προσδιορίζεται η απαραίτητη ισχύς του κινητήριου συστήματος και η αναγκαία η ισχύς των συσσωρευτών. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές προκύπτει και η κατάλληλη χωρητικότητα των συσσωρευτών καθώς επίσης και η διάταξή τους. Το επόμενο βήμα είναι η μελέτη και ανάπτυξη της κατασκευής των τυπωμένων κυκλωμάτων που θα ελέγχουν και θα παρακολουθούν το ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Ακολουθεί η εγκατάσταση των συσσωρευτών, των δύο κινητήριων συστημάτων και των περιφερειακών εξαρτημάτων του οχήματος. Τέλος ακολουθούν οι πειραματικές μετρήσεις και η μελέτη της συμπεριφοράς του οχήματος μετά την εγκατάσταση του νέου συστήματος και η αξιολόγηση των θεωρητικών υπολογισμών. / This thesis deals with the study of construction and development of an experimental city vehicle with active differential electric powertrain. The work took place at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. The aim is to study the precise control of motion of the drive wheels of the vehicle by manufacturing an electronic differential. Also, a battery monitoring system has been developed. First of all, the mechanical differential and its applications are studied. There are presented some types of mechanical differentials and their corresponding advantages and disadvantages. Also, the trajectory of the drive shaft is analyzed with the characteristic equations that describe the speed of the drive wheels. Additionally, the methods of storing electrical energy in electric transportation are examined. Various types of batteries are presented and operation as well as monitoring and management systems. Moreover, there are determined the specifications of the electric vehicle and then the necessary electrical and electronic equipment is studied and calculated. The required power of the drive system and the necessary power of the batteries are determined. According to the specifications, the capacity of the battery stack is calculated as well as the arrangement of the cells. The next step is the development of the printed circuit boards that control and monitor the electric powertrain. The installation of the batteries, the two drive systems and peripheral components of the vehicle are clearly presented. Finally, measurements of the electronic systems during testing are presented as well as the macroscopic values, followed by and an evaluation of the theoretical calculations.

This thesis describes an investigation into vehicle handling control using active differentials in the rear axle of a motor vehicle. Such devices are able to transfer torque between the rear wheels and have traditionally been used to improve traction whilst minimising the impact on vehicle handling. However, the capacity to generate a lateral torque difference across an axle also gives them the potential to be used for yaw moment control. In order to generate a rigorous assessment of this potential, the investigation is carried out in three distinct phases. Firstly, an analysis of the scope for modifying vehicle handling given unrestricted control over torque transfer between the rear wheels is carded out in the simulation environment. For this purpose an idealised yaw sideslip controller is developed. This is used to show that an ideal active differential can have significant yaw moment authority in terms of generating both understeer and oversteer and that this can be used to actively modify a vehicle's handling balance and apply stability control at the limits of adhesion. In the second phase, the capabilities of two types of contemporary active differential, the torque vectoring differential (TVD) and active limited slip differential (ALSID), are then assessed against the ideal differential and against a brake based yaw moment controller. TVDs are found to be able to offer very similar performance to both their ideal counterpart and to the brake based system. They Gan also deliver this performance with a fraction of the energy loss that is observed in the brakes, thus making TVDs a viable proposition for applying continuous yaw control below the limits of adhesion. ALSDs, on the other hand do not offer equivalent functionality to an ideal active differential but are still shown to be very effective stability control devices. In the third phase, the ALSID results are validated on a prototype vehicle where it is shown that they do indeed offer substantial stability improvements both on high and low-P surfaces. However in order to deliver such benefits and be practical for implementation, it is also shown that significant redevelopment of the idealised controller is required. Finally, with the ALSID operating alongside a commercial brake based stability control system, it is proven that substantial reductions in brake intervention can be achieved without significant controller integration.

This work deals with the design of right-and-left torque vectoring systems used in heavy commercial vehicle powertrains. It is a new device for a commonly used vehicle differential. This study recommends design, kinematic and load parameters. Also the overall effect of the mechanism on vehicle dynamics and design of the experimental vehicle chassis is described. The study further describes how the mechatronic system works with necessary control systems. Purpose of this thesis is to summarize available information on a right-and-left torque vectoring and possible practical applications for further development of torque vectoring systems.

This work deals with the design of right and left torque vectoring control used in heavy commercial vehicle powertrains. The beginning of the work is focused on the description of the active differential system and on the clutches used in the automotive industry. Then the basic parameters of the experimental vehicle are defined and the choice of the clutch conception is made. Subsequently, calculations of geometric parameters of clutches and verification of their heat capacity is made. Conceptual design of the control mechanism is discussed in the last chapter. The aim of the work is the draft of the possible type of control mechanism for the given system with the possibility to use the information obtained for the further development of this system.

This work deals with the assessment of the yaw moment control via active differential effects to the heavy commercial vehicle dynamics. Summarized are the findings about design of active differential, control algorithms and theoretical assumptions about overall effects to the vehicle dynamics. According to the described theory the own concept of the active differential for experimental heavy commercial vehicle is proposed. The main part of the work is focused on the effects of the active differential on vehicle manoeuvrability, controllability, stability and limits analysis. For this purpose, multibody dynamic model of the complete vehicle with standard open differential is assembled and results of the selected manoeuvre simulations validated by measurements of the real vehicle characteristics. The validated vehicle model is then extended by the model of the active differential with control algorithm. According to the simulations results the theoretical presumptions are confirmed and the effects of the active differential on vehicle dynamics in steady and transition states are evaluated. Based on the described findings the overall improvement of the vehicle dynamics by this technology, feasibility of the proposed concept and main advantages and disadvantages are evaluated.

Η πληθώρα των εφαρμογών που μπορεί να εξυπηρετήσει η τεχνολογία Υπερευρείας Ζώνης (UWB), από τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα υψηλών ταχυτήτων, μέχρι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με δυνατότητες ακριβούς εντοπισμού θέσης, και τα ασύρματα δίκτυα ιατρικών αισθητήρων, έχει προκαλέσει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον γύρω από τις υλοποιήσεις UWB συστημάτων. Η ασυνήθιστα μεγάλη περιοχή συχνοτήτων που έχει ανατεθεί στο UWB, από τα 3.1-10.6 GHz, επιτρέπει την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων με απλά σχήματα διαμόρφωσης, ωστόσο, λόγω της διαμοίρασης του φάσματος με τις υφιστάμενες τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης, οι UWB εκπομπές πρέπει να περιορίζονται σε ισχύ κάτω από το κατώφλι των -41.3 dBm/MHz, ικανοποιώντας πολύ αυστηρές μάσκες εκπομπής που εισάγουν έντονες προκλήσεις στη σχεδίαση των πομπών. Η υλοποίηση αναδιατάξιμων UWB πομπών σε σύγχρονες CMOS τεχνολογίες, με υψηλή φασματική ευελιξία, ταχύτητα και ποιότητα διαμόρφωσης, καθώς και με χαμηλή κατανάλωση, αποτέλεσε το αντικείμενο της συγκεκριμένης διατριβής. Υιοθετώντας την αρχιτεκτονική Multi-Band Impulse-Radio (MB-IR) σε συνδυασμό με την τεχνική Direct Sequence BPSK, η έρευνα προσανατολίστηκε προς την ανάπτυξη καινοτόμων μονάδων βασικής ζώνης, με στόχο την ενεργειακά αποδοτική αντιστροφή Γκαουσιανών μορφοποιημένων παλμών υψηλής ποιότητας φάσματος και διάρκειας μικρότερης ακόμα και από 1 nsec. Προς αυτή την κατεύθυνση, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα γεννήτρια Γκαουσιανών παλμών με πολύ χαμηλούς πλευρικούς λοβούς στο φάσμα, τυπικά κάτω από -40 dB, ώστε να υποστηρίζονται οι αυστηρότερες μάσκες εκπομπής ή και μελλοντικές. Η σχεδίασης της προτεινόμενης γεννήτριας είχε ως κριτήριο την ευέλικτη ρύθμιση της διάρκειας των παραγόμενων παλμών, και αξιοποίησε τη χαρακτηριστική μεταφοράς τάσης ενός ωμικά φορτωμένου, ασύμμετρου CMOS αντιστροφέα. Η γεννήτρια βασίζεται κυρίως σε ψηφιακά κυκλώματα πολύ χαμηλής τάσης και, σε σύγκριση με τις υφιστάμενες υλοποιήσεις, παρουσιάζει σημαντικό προβάδισμα στον τομέα της ταχύτητας, καθώς και στο πλάτος εξόδου, η μεγάλη τιμή του οποίου χαλαρώνει σημαντικά τη σχεδίαση του RF front end. Η γεννήτρια μελετήθηκε διεξοδικά, διεξήχθη ανάλυση κλιμάκωσης, έγινε εξαγωγή σχεδιαστικών εξισώσεων και αναπτύχθηκαν εργαλεία λογισμικού για την αυτοματοποιημένη σχεδίασή της. Για περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας των παλμικών σημάτων εφαρμόσθηκε ειδική σχεδίαση, η οποία αντιπραγματεύεται την ταχύτητα με το επίπεδο των λοβών του φάσματος. Για την αποδοτική BSPK διαμόρφωση των Γκαουσιανών παλμών αναπτύχθηκε ειδική τοπολογία “Μεταγωγής Σήματος Πυροδότησης Πλήρους Ισορροπίας με Up-Conversion”. Η τοπολογία αυτή, σε αντίθεση με τις ανταγωνιστικές τοπολογίες, αποφεύγει την αντιστροφή του παλμού με αναλογικά κυκλώματα υψηλής κατανάλωσης, αλλά και την αναλογική μεταγωγή, καθώς η διαμόρφωση λαμβάνει χώρα πριν από την παραγωγή των παλμών. Παράλληλα, επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί, καθώς και υψηλή ποιότητα διαμόρφωσης λόγω των ισορροπημένων μονοπατιών της τοπολογίας. Η γεννήτρια μαζί με το διαμορφωτή αποτελούν τις καινοτόμες παρεμβάσεις στη μονάδα Βασικής Ζώνης του προτεινόμενου πομπού. Για την ολοκλήρωση της λειτουργικότητας του πομπού, αναπτύχθηκε ένα RF front end, το οποίο αποτελείται από έναν διπλά ισορροπημένο μίκτη, έναν LO buffer, ένα μετατροπέα διαφορικού σήματος σε απλό, και έναν ενισχυτή ισχύος, ο οποίος είναι προσαρμοσμένος στα 50 Ohms, χωρίς να απαιτεί κανένα εξωτερικό στοιχείο. Το RF front end ολοκληρώθηκε μαζί με τη μονάδα βασικής ζώνης, και ο ολοκληρωμένος πομπός κατασκευάστηκε σε τεχνολογία CMOS 130 nm. Το ολοκληρωμένο προσαρτήθηκε στην RF πλακέτα συστήματος με την τεχνική Chip on Board. Για την επιτυχία του συστήματος με την πρώτη προσπάθεια έγινε συσχεδίαση σε επίπεδο IC-Package-PCB, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα ζητήματα Signal/Power Integrity. Ο πομπός παρουσίασε την υψηλότερη ταχύτητα από τις ανταγωνιστικές MB-IR UWB υλοποιήσεις, ίση με 1.5 Gbps, με αντίστοιχη ενεργειακή αποδοτικότητα 21 pJoule/bit και μέτρο διανυσματικού σφάλματος 5.5%. Ο πομπός βελτίωσε τους πλευρικούς λοβούς στο φάσμα περισσότερο από 10 dB, ενώ η διατριβή, εκμεταλλευόμενη την αναδιαταξιμότητα του πομπού, παρουσιάζει, επιπλέον, τις πρώτες μετρήσεις σε ταχύτητες εκατοντάδων Mbps για ικανοποίηση της χαμηλής ζώνης της πρόσφατα θεσμοθετημένης, και εξαιρετικά αυστηρής, ευρωπαϊκής μάσκας εκπομπής. / The multitude of applications that Ultra-Wideband (UWB) technology can serve, from high-speed Wireless Personal Area Networks, to Wireless Sensor Networks with precision Geolocation abilities, and Wireless Medical Networks, has attracted intense research interest in the implementation of UWB systems. The unusually wide range of frequencies assigned to UWB, from 3.1-10.6 GHz, allows UWB systems employing low order modulation schemes to enjoy high throughput at low power consumption. However, since UWB shares the spectrum with existing wireless networking technologies, UWB emissions must be limited to a power spectral density below the threshold of -41.3 dBm/MHz, satisfying very stringent emission masks and introducing great challenges in the design of UWB transmitters. The subject of this thesis is the design of low power, fully integrated, reconfigurable CMOS UWB transmitters, with high spectral flexibility, high speed and high modulation quality. Adopting the Multi-Band Impulse-Radio architecture, in conjunction with the Direct Sequence BPSK modulation, the research focused on the development of a baseband unit, able to precisely invert Gaussian shaped, subnanosecond pulses. The key contributions of this thesis are a CMOS Gaussian Pulse Generator and a BSPK modulation topology, which jointly constitute the proposed baseband unit. The Pulse Generator (PG) is based on non-linear shaping, so as to facilitate the configurability of the output pulse duration, and exploits the voltage transfer characteristic of a Resistive Loaded Asymmetrical CMOS Inverter, which results in spectral sidelobes typically better than -40 dB. The PG incorporates mostly-digital low voltage circuits, while the MOSFET devices that undertake the pulse shaping avoid exclusive operation in weak inversion, in contrast to previous implementations. Consequently, the proposed CMOS PG is able to support higher throughput, as well as higher output amplitude, which relaxes considerably the design of the RF front end. This thesis presents a systematic design procedure and a scaling analysis of the non-linear pulse shaper. Moreover, in order to further increase the speed, a special PRF boost technique is proposed, which trades off speed and spectral efficiency for the spectral sidelobes level. Regarding the BPSK modulator, this work introduces the “Trigger Switching Fully Balanced Up-Conversion” topology, which avoids the use of power-hungry and distortion-prone analog circuits for the accurate inversion of the subnanosecond shaped pulses, as well as avoids the application of analog waveform switching to the baseband pulses, since the baseband modulation takes place before the generation of the pulses. The digital nature of the switching lends itself to high data rates, while the balanced paths of the topology ensure high modulation quality with minimal design effort. Wafer probing measurements confirmed the high performance of the baseband unit. The functionality of the transmitter was completed by the development of an RF front end which consists of a double balanced mixer, an LO buffer, a differential to single-ended (DtoSE) converter, and a power amplifier which is ready to drive a 50 Ohms load without requiring any off-chip components. The integrated transmitter, which incorporates the proposed baseband unit and the RF front end, was fabricated in 130 nm CMOS technology. The transmitter RFIC was directly attached to the system RF PCB using the Chip-on-Board packaging option. The First-Pass success of the system was ensured by paying particular attention to Signal/Power Integrity issues and following an IC-Package-PCB co-design procedure. The transmitter was measured up to 1.5 Gbps, which, to the author’s knowledge, was the highest speed amongst the competitive Multi-Band Impulse-Radio UWB implementations in the literature. The corresponding energy efficiency was 21 pJoule/bit and the Error Vector Magnitude (EVM) 5.5%, while the proposed transmitter improved the spectral sidelobes by over 10 dB. Exploiting the reconfigurability of the transmitter, this thesis presents the first measurements at multi-Mbps speeds that completely meet the final version of the European spectrum emission mask.