The electric vehicle (EV) market is experiencing growth at an exponential rate, forcing automotive manufactures to invest in powertrain electrification. Manufactures are seeking low cost alternatives for electric propulsion motor technologies with switched reluctance motors (SRMs) having tremendous potential. The performance characteristics of SRMs designed for EV propulsion applications have yet to be experimentally verified. In this thesis, the operation of a 24/16 propulsion SRM specifically designed for a hybrid electric vehicle will be verified with a theoretical model and experimentally. The results are analyzed to gain further understanding of the factors affecting propulsion SRM operation. Two distinct theoretical models of a SRM are presented where one includes the effects of mutual coupling between two excited phases. The theoretical models and the experimental results indicate that for high power density SRMs, designed for propulsion applications, the effects of mutual coupling cannot be ignored. The motor is experimentally tested using a dynamometer machine. A test plan is presented which tests the motor at a wide speed and torque range suitable for EV applications. The testing procedure attempts to segregate the motor losses similar to international standards for induction machines and permanent magnet machines; however, these methods prove invalid due to the non-sinusoidal current in SRMs. Torque ripple minimization is highlighted to reduce the risk of detrimental speed fluctuation during motor testing with careful attention to thermal limitations. The SRM is tested using PWM current control as the baseline control method because hysteresis control is proven to be challenging for the tested SRM. The work presents many challenges associated with the testing and characterization of SRMs for propulsion applications; however, new research findings illustrate the potential of future improvements in propulsion SRM design and operation. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

In diesel-electric powertrains, the wheels are mechanically decoupled from the internal combustion engine (ICE). The conventional control approach for such a powertrain is to let the driver control the traction motor while the ICE realizes speed control, causing power to be pulled through the powertrain. An alternative approach is to push power forward by letting the driver control the ICE instead. In this thesis, a conceptual simulation model of a diesel-electric powertrain is compiled and the charcteristics of this novel approach investigated. It is concluded that the new approach makes full ICE power utilization possible even with engine performance reductions present, and also that it handles load prioritization in a natural way. However, takeoff from standstill and low-speed driving become difficult due to the effective gear ratio growing towards infinity for decreasing vehicle speed, causing high traction torques at low speed.

With increasing focus on electromobility many companies are developing vehicles powered by an electric energy source. Previously, engines used to be the most prominent source of noise in a traditional Internal Combustion Engine (ICE) vehicle. Although engines are optimized to produce lower noise levels, the wide frequency range of an engine makes the sound generated by them more acceptable and less annoying when compared to narrow frequency tonal noise exhibited by electric transmission systems. Moreover, structural vibrations and whine noise from electric powertrain is more prominent in absence of the masking effect from engines. Hence, Noise Vibration and Harshness (NVH) study of electric powertrain assembly is of paramount importance even though electric vehicles are quieter than their ICE counterparts. In this thesis, the electric powertrain used for running hydraulic systems in an excavator is analysed in order to study its vibro-acoustic characteristics and optimize the gear design for improved NVH performance. The main objective of this project is to simulate the vibrations generated by motor and gear transmission error excitations, and consequently propose optimization methods to reduce the gear whine noise. The powertrain has been analysed using Romax 2020.1, a drivetrain analysis software. Ansys 2020 R2 has been used as a meshing tool for generating FE mesh of gearbox and motor components. The motor excitation forces are calculated in Ansys Maxwell as a separate student thesis. These forces are then imported into Romax to study the behaviour of the powertrain due to motor excitation forces. Vibration analysis is carried out on the powertrain to understand the effects of various forces on its dynamic response. Further, design of experiments is carried out based on which micro geometry modifications of gear tooth are recommended to optimize the vibration response of the powertrain. / Med ökande fokus på elektromobilitet utvecklar många företag fordon som drivs av batteridrivna elmotorer. Tidigare var förbränningsmotorn den mest framträdande bullerkällan. Buller från förbränningsmotorer är dock mindre irriterade än från elmotorer, eftersom de är optimerade för att generera låga ljudnivåer med breda frekvensområden. Elektriska drivlinor har ett smalfrekvent tonalt brus som upplevs som irriterande. Dessutom är strukturella vibrationer och så kallat kuggvin från belastade kuggväxlar hos en elektrisk drivlina mer framträdande i utan maskeringseffekten från en förbränningsmotor. Detta betyder att vi behöver studera buller och vibrationer, på engelska kallat Noise Vibration and Harshness (NVH), hos elektriska drivlinor även om elfordon är tystare än sina föregångare. I det här arbetet analyserades den elektriska drivlinan som används för att driva hydraulsystemet till en grävmaskin. Drivlinans vibroakustiska egenskaper studerades och målet var att optimera kuggväxeldesignens NVH-prestanda. Huvudsyftet med detta projekt är att simulera vibrationerna som genereras av motor- och växeltransmissionsfelexcitationer och föreslå optimeringsmetoder för att minska växelljudet. Drivlinan har analyserats med hjälp av Romax 2020.1, en programvara för analys av drivlinor. Finita Element (FE)-programmet Ansys 2020 R2 har använts som ett meshverktyg för att generera beräkningsnät av växellåda och motorkomponenter. De motoriska excitationskrafterna beräknades i Ansys Maxwell som en separat studentuppsats. Dessa krafter importerades sedan till Romax för att studera drivlinans beteende på grund av motoriska excitationskrafter. Vibrationsanalys utfördes på drivlinan för att förstå effekterna, den dynamiska responsen, av olika krafter. Vidare genomfördes ett design av experiment baserat på vilka mikrogeometrimodifieringar av kugghjul som rekommenderas för att optimera drivlinans vibrationsrespons.

Dans le contexte automobile actuel de réduction des émissions de CO2, une réponse semble être apportée par le véhicule électrique. De nombreuses questions se posent alors, notamment concernant l’autonomie, d’autant plus que le nombre de consommateurs électriques dans les véhicules est en constante augmentation. Il est nécessaire de concevoir un groupe-motopropulseur électrique alliant autonomie et performances en considérant les contraintes de coût auxquelles est confronté tout constructeur.Concernant les outils de conception, très nombreux sont les constructeurs qui s’orientent vers d’autres solutions que la réalisation de prototypes en faisant appel à la simulation numérique dès le début du cycle en V pour optimiser leur prédimensionnement et assurer un gain non négligeable sur les délais et les coûts. Les travaux de thèse s’articulent ainsi autour de deux axes. Une première étape consiste à modéliser le réseau électrique automobile (chaîne de traction, système de confort thermique et réseau 14V) afin de simuler son fonctionnement en régime dynamique. L’aspect dynamique est important : des cartographies de pertes ne peuvent suffire si nous nous intéressons aux performances du véhicule en termes d’accélérations. D’autre part, l’autonomie est impactée de façon non négligeable par cet aspect dynamique.Dans une seconde étape, nous procéderons à l’optimisation du système de puissance. Les critères qui nous intéressent, autonomie et performances, sont antagonistes, ce qui donne lieu à la recherche de « meilleurs » compromis. Nous distinguons l’optimisation des lois de pilotage des organes de l’optimisation de l’architecture, les deux étant menées séquentiellement. / In the current automobile trend of global CO2 emissions reduction, the electric vehicle seems to be one of the most effective solutions. It is a new technology and, consequently, many questions appear, in particular concerning the range impacted by the constant increase of the number of electric loads embedded in vehicles. It is necessary to design an electric powertain allying sufficient range and good performances and respecting cost constraints, which is a determining criterion for every car manufacturer. Concerning conception tools, many car manufacturers turn to other solutions that only physical prototypes realization by using numerical simulation from the beginning of the V-cycle in order to optimize powertrain presizing and ensure a significant costs and delays reduction.The thesis works are based on two axes.The first part consists in modeling the power system of electric vehicle (powertrain, air-conditioning, heating system and 14V network) in order to simulate the global system behavior in transient state. The dynamic aspect is important: for example, losses maps cannot be used if we are interested in vehicle performances in terms of accelerations. Moreover, as that will be shown, the vehicle range is impacted in a significant way by the dynamic phenomena. The models are validated by comparison with tests results.In a second part, we proceed to electric power system optimization. The criteria that interest us namely range and performances are conflicting, what gives rise in search of "best" compromises. It is necessary to distinguish control laws optimization from architecture optimization, both being led sequentially.

Depuis une dizaine d’années, les constructeurs et les grands groupesdu secteur de l’automobile se sont mobilisés autour de la recherche et dudéveloppement de nouveaux prototypes de véhicules économes (moins consommateursd’énergie) et propres (moins de rejets de polluants) tels queles véhicules hybrides et tout électriques. C’est une nouvelle mutation. Ellefait profondément évoluer l’automobile, d’une architecture de propulsionthermique, devenue maîtrisée mais fortement polluante, vers une tractionélectrique ou hybride plus complexe et peu, voire pas du tout, maîtrisée ;le nombre de composants (sources d’énergie, actionneurs, contrôleurs, calculateurs,...) devient important, de nature multidisciplinaire et possédantbeaucoup de non linéarités. De plus, faute de maturité dans ce domaine, àce jour l’industrie de l’automobile ne possède pas encore les connaissancessuffisantes nécessaires à la modélisation, à la simulation et à la conceptionde ces nouveaux véhicules et plus particulièrement les dispositifs relatifs auxsources d’énergie et aux différents actionneurs de propulsion.Les travaux de cette thèse visent à donner des méthodes de conceptiond’une chaine de traction hybride et d’en gérer la gestion de l’énergie. Lathèse s’appuie sur l’exemple de la conception et la gestion de l’énergie d’unvéhicule hybride basé sur une pile à combustible et des batteries.Dans un premier temps, un méthode de dimensionnement des composantsde la chaine de traction est présentée : Elle consiste en l’étude statistique decycle de conduite générés pseudo aléatoirement représentatif de la conduiteen condition réelle de véhicule. Un générateur de cycle de conduite à été créeet est présenté, et la méthode de dimensionnement de la source primaire, iciune pile a combustible, ainsi que le source secondaire de puissance, ici desbatteries, est détaillée. Un exemple est pris pour illustrer cette méthode avecla conception d’un véhicule de type camion poubelle décrivant des cycles deconduites urbains à arrêts fréquents.Dans un second temps, la gestion de l’énergie de la chaine de traction hybridesérie est étudiée : une gestion de l’énergie “offline” est présentée, basé surl’optimisation par programmation dynamique. Cette optimisation permetd’avoir le découpage de la puissance par les deux sources de la chaine detraction de manière optimal pour un cycle précis. De part l’aspect déterministede la programmation dynamique, les résultats servent de référence quant aufuturs développements de gestion temps réel.Un contrôleur temps réel basé sur la logique floue est ainsi exposé et lesrésultats sont comparés par rapport à la gestion “offline”. Le contrôleurest ensuite optimisé et rendu adaptatif par un algorithme génétique et unalgorithme de reconnaissance de type de profil routier.Enfin, une introduction à la gestion de l’énergie dans les véhicules hybrides de type : “plug in” est présentée : Elle repose sur le principe de la déterminationde la distance restante à parcourir par la reconnaissance de la destination àl’aide d’une matrice de probabilité de Markov. / Hybrid electric vehicle have known a quickly grow in the last 10 years.Between conventional vehicles which are criticized for their CO2 emissionand electric vehicles which have a big issue about autonomy, hybrid electricones seems to be a good trade of. No standard has been set yet, and the architecturesresulting of theses productions vary between brands. Nevertheless,all of them are design as a thermal vehicle with battery added which leadsto bad sizing of the component, specially internal combustion engine andbattery capacity. Consequently, the control strategy applied to its componentshas a lot of constraints and cannot be optimal.This thesis investigate a new methodology to design and control a hybridelectric vehicle. Based on statistical description of driving cycle and the generationof random cycle, a new way of sizing component is presented. Thecontrol associate is then determined and apply for different scenarios : firstlya heavy vehicle : A truck and then a lightweight vehicle. An offline controlbased on the optimization of the power split via a dynamic programmingalgorithm is presented to get the optimal results for a given driving cycle.A real time control strategy is then define with its optimization for a givenpatterns and compared to the offline results. Finally, a new control of plug inhybrid electric vehicle based on destination predictions is presented.

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception par optimisation d’une chaine de traction de véhicule électrique en phase amont du développement. Dan une première partie, nous avons abordé le contexte environnemental du transport afin d poser la problématique de la conception systémique d’une chaine de traction électrique composée d’une transmission, une machine électrique asynchrone, un onduleur et un batterie. Le cas test est celui du Renault Twizy. La seconde partie explore les possibilité de modélisation puis détaille les modèles analytiques qui ont été choisis pour chaque composant. L’assemblage de ces modèles permet une estimation de l’autonomie d véhicule, au travers du calcul des pertes des composants, et du cout de la chaine d traction. La troisième partie est consacrée aux méthodes et stratégies d’optimisation afin d pouvoir exploiter le modèle système en incluant le cycle de roulage, le contrôle de l machine électrique et les différentes physiques des composants, tout en conservant de temps de calcul raisonnable. Enfin, la dernière partie présente des résultats d’optimisation en comparant différents jeux de variables et objectifs, soulignant l’importance d’un conception systémique. Des essais sur banc permettent de valider les hypothèses qui on été posées / The works of this thesis concern the optimal design methodology of an electric vehicl powertrain, in early development phase. The first part of this report introduces th environmental context of transportation in order to assess the problem of system design o an electric powertrain which includes a transmission, an induction machine, an inverter an a battery. The selected study case is a Renault Twizy. The second part deals with modelin choices and details the analytic models of the components. Then these models are pu together to get an estimate of the vehicle range, by calculating the components’ losses an the powertrain cost. The third part is devoted to methods and optimization strategies wit the objective to use the systemic model with driving cycles, electric machine control and th physics of each component, without increasing too much computing times. The final par presents results from optimal designs, by comparing several variables or objectives sets Results show how significant the systemic design is. Experiments on a test bench allow validating the hypothesis that have been made

Pour répondre aux exigences réglementaires de plus en plus sévères au regard des émissions de CO2, l'industrie automobile voit poindre l'émergence des chaînes de traction électrique dans des structures véhicules en matériaux composites. Dans ce manuscrit, le point de vue du constructeur automobile est considéré. En effet, pour répondre aux exigences automobiles en compatibilité électromagnétique (CEM) pour l'homologation et la protection de la santé des personnes vis-à-vis des champs électriques et magnétiques, le blindage électromagnétique est l'une des solutions de conception les plus utilisées. Afin d'évaluer les meilleurs concepts à moindre coût et réduire autant que possible les délais de prototypage, la modélisation et la simulation numérique doivent encore se développer et être déployées. Les chapitres de ce manuscrit illustrent, étape par étape, la modélisation, la simulation et la validation expérimentale du blindage d'une architecture de chaîne de traction électrique. Dans un premier temps,l'influence d'un matériau composite à savoir l'époxy renforcé en fibres de carbone est étudié sur les émissions conduites et rayonnées en présence d'un câble blindé. Dans un deuxième temps, une méthodologie de modélisation des câbles blindés et des raccords de masse est proposée dans un environnement électromagnétique où la théorie des lignes de transmission classique ne s'applique pas. Pour valider les deux précédentes parties, des bancs de mesure sont proposés et développés. Les résultats expérimentaux sont comparés à la simulation numérique. La dernière partie considère une chaîne de traction électrique simplifiée en présence de boîtiers métalliques, de câbles de puissance blindés, de raccords de blindage et de raccords de masse dans une structure multi-matériaux dans la bande de fréquences 10 kHz - 300 MHz. Les émissions conduites et rayonnées sont analysées en portant une attention particulière à la perturbation de la réception radio. / To reach the increasingly stringent regulatory requirements for CO2 emissions, the automotive industry is improving the electric powertrains in car bodies with composite materials. In this thesis report, the point of view of the car manufacturer is considered. The electromagnetic shielding is one of the most important design solutions to respect the electromagnetic compatibility (EMC) requirements for the homologation and the protection of human health with respect to electrical and magnetic fields. In order to evaluate the best concepts at lower costand to minimize prototyping delays, modeling and numerical simulation still need to be developed and deployed.The chapters of this thesis report illustrate, step by step, the modeling, the simulation and the experimentalvalidation of the shielding applied to an electric powertrain. In a first step, the influence of a composite material such as the carbon fiber reinforced epoxy is studied on the conducted and the radiated emissions in presence of a shielded cable. In a second step, a methodology to model shielded cables and the grounding connectionsis proposed in an electromagnetic environment where classical transmission line theory cannot be applied. Tovalidate the two previous parts, measurement setups are proposed and developed. The experimental results arecompared with the numerical simulation. The last part considers a simplified electric powertrain with metal housings, shielded power cables, shielding connections and grounding connections in a multi-material structurein the 10 kHz - 300 MHz frequency band. The conducted and radiated emissions are analyzed with a particular attention to the disturbance of the radio reception.

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With the rise of smart manufacturing technologies and a shift towards a new industrial revolution, brings forth many new challenges, one of which is how to adapt and integrate these technologies into existing assembly lines. Scania CV AB has joined this race and, with the help of smart manufacturing solutions, works on increasing efficiency amongst its assembly lines. This thesis is aimed at creating concept designs using different smart manufacturing technologies in the assembly line of a pedal car, to evaluate and adapt the concept suited for a real assembly line. The thesis starts with studying the different smart manufacturing technologies to better understand them and the scientific methods used. This follows up with the methodology where several scientific methods such as morphological matrix and weight based decision making matrix are used to generate and evaluate different concept designs. This is followed by a qualitative analysis that helps in selecting the concept design that best suits the needs of the assembly line under consideration. The different concepts are visualized and the evaluation based on different parameters are discussed. This thesis lays a foundation to realize that an aggregate of an optimized process plan, a continuous improvement strategy and the right use of smart manufacturing technologies contributes to the productivity of the assembly line in the long run. / Med en ökning av smarta tillverkningsteknologier och ett skift mot en ny industriell revolution, kommer nya utmaningar. Av dessa utmaningar ifrågasätts hur man anpassar och kombinerar dessa olika teknologier gentemot existerande monteringslinjer. Scania CV AB har tagit del i denna resa och, med hjälp av smarta tillverkningslösningar, jobbar ständigt mot att effektivisera sina monteringslinjer. Detta examensarbete fokuserar på att använda olika och smarta tillverkningsteknologier i en monteringslina för tillverkning av en trampbil. Detta görs genom att evaluera och anpassa olika koncept som är lämpade för en verklig monteringslina. Examensarbetet börjar med en undersökning av nuläget för att få en bättre uppfattning om smarta tillverkningsteknologier samt de vetenskapliga metoder som används. Även här så undersöks referensprodukten - trampbil samt de olika programvarorna AviX, ExtendSim och LayCAD. Genom att ha satt tydliga arbetsmetoder och följt upp mot dessa så diskuterar och hänvisar nästa kapitel resultaten. Resultaten visar hur olika koncept har tagits fram samt vilka teknologier som går ihop med dessa. Fördelar, nackdelar och risker hos respektive teknologi har benämnts. Ett systematiskt arbetssätt har tagits fram mot hur man anpassar konceptet för monteringslinan av en trampbil till en verklig monteringslina, samt hur man har jobbat runt de restriktioner som uppkommit. Examensarbetet slutar med ett kapitel där slutsatserna, på en överskådlig nivå, tas fram. Hur dessa teknologier har kombinerats och evaluerats, samt att koncepterna som har tagits fram har lagt en grund för framtida projekt att följa upp emot.