This thesis studies a DC motor for a racing hybrid electric vehicle (HEV) prototype.The development of optimization-based energy management strategies (EMS) necessitates an accurate quasi-static model of the driving motor, which includes a 2D efficiency map with the torque outputand rotating speed as the inputs. However, a DC motor's efficiency varies a lot at differentoperating points and the efficiency map from the technical manual does not match the various applications in reality.In view of this, this thesis investigates a field testing based quasi-static modeling method to construct the DC motor efficiency map with only portable and brief testing resources. Firstly, a testbench is designed, manufactured, integrated, and configured with necessary accessories. The testbench consists of the motor under test, a braking motor to provide load torque, a servo-amplifier for torque control and sensing, a host computer for data acquisition, and power supplies. Then, a self-contained testing plan is designed by which as many as possible different testing points can be covered based on the braking motor's power limit. After that, the experiments are successively performed on the test bench, and the input electric power along with the output mechanical power at steady state are recorded. Multiple data process methods are explored to analyze the collected testing data. Root mean square (RMS) is used to reduce the measuring variance. Invalid outliers are identified and filtered out based on the residuals. The qualified samples are employed to build up the 2D efficiency map by fourth-degree polynomial regression. Then, three methods, linear, quadratic, and cubic fittings are attempted separately to estimate the relationships between the input power and output torque at different speeds. The results show that the quadratic model is the best option which results in smaller root mean square error (RMSE) and fair computation complexity. To conclude, the quasi-static dynamic model of a DC motor, which includes a 2D efficiency map and the speed-based polynomial expression of input power, can be properly established by a new method relying on less and simpler devices in contrast to those traditional methods. This method bypasses a bulk of tedious modulations on precise motor speed control which is heavily dependent on a high-precision sensor. The formulated 2D efficiency map will effectively support the future development of model-based EMS. The polynomial expression provides a more efficient approach to estimate instantaneous energy efficiency for an embedded system application. / Denna avhandling studerar en likströmsmotor för en prototyp av ett elektriskt hybridfordon (HEV) för racing. Utvecklingen av optimeringsbaserade energihanteringsstrategier (EMS) kräver en precis kvasistatisk dynamisk modell av den drivande motorn, som inkluderar en en 2D-karta (effektivetetskarta) som beskriver hur verkningsgraden beror på moment och rotationshastighet. Verkningsgraden hos likströmsmotorn varierar dock mycket beroende på arbetspunkt och verkningsgradskartan från databladen stämmer inte alltid med de olika applikationerna i verkligheten. Givet detta undersöker denna avhandling en fältprovsbaserad kvasistatisk modelleringsmetod för att uppskatta likströmsmotorns effektivitetskarta med endast flyttbara och begränsade testresurser. Till att börja med är en testbänk designad, tillverkad, integrerad och konfigurerad med alla nödvändiga komponenter. Testbänken består av den motor som testas, en bromsmotor för att ge belastningsmoment, en servoförstärkare för vridmomentstyrning och mätning, samt en dator för datainsamling och strömförsörjning. Sedan utformas en fristående testplan som gör att så många olika testpunkter som möjligt kan täckas, baserat på bromsmotorn effektgräns. Därefter utförs experimenten successivt på testbänken där ingående elektrisk effekt och utgående mekanisk effekt mäts i jämviktsläget. Flera olika metoder undersöks för att analysera den insamlade testdatan. Kvadratiskt medelvärde används för att minska variansen i testdatan. Ogiltiga outliers identifieras och filtreras ut baserat på hur mycket de avviker från medelvärdet. De godkända testpunkterna används för att bygga upp 2D-effektivitetskartan genom en fjärde gradens polynom regression. Därefter används tre olika metoder, linjära, kvadratiska och kubiska för att skapa kurvanpassningar genom polynomregression för att beskriva sambandet mellan ingångseffekt och utgångseffekt vid olika hastigheter. Resultaten visar att den kvadratiska metoden är det bästa alternativet eftersom det ger en mindre medelkvadratavvikelse och en hanterbar beräkningskomplexitet. Avslutningsvis kan den kvasistatiska dynamiska modellen för en likströmsmotor, som inkluderar en 2D-effektivitetskarta med det hastighetsbaserade polynomuttrycket för ingångseffekt, skapas av en ny metod som förliter sig på mindre och enklare materiel än traditionella metoder. Denna metod kringår en stor del av den omständiga modulering som precis varvtalsstyrning kräver vilken även är väldigt beroende på högprecisionssensorer. Den formulerade 2D-effektivitetskartan kommer ge betydande stöd till framtida utveckling av modelbaserade energihanteringsstrategier 2 (EMS). Polynomuttrycket ger ett mer effektivt tillvägagångssätt för att uppskatta omedelbar energieffektivitet för en inbäddad systemapplikation.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-284330 |
| Date | January 2020 |
| Creators | CAI, JIACHENG |
| Publisher | KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2020:524 |
Page generated in 0.0036 seconds