Simulation and validation using HIL technique of the control system of a light train powered by hydrogen fuel cells and batteries

In today's international context, one of the most important objectives has become the use of environmentally sustainable resources. Locomotion through fossil fuels such as diesel is still present in the railway world. The aim of this thesis is to study and design an electric propulsion system that can replace existing vehicles that cannot access an electrified network. Therefore, a railway route travelled by a diesel train was taken as a sample, and using hydrogen fuel cells and batteries, an innovative propulsion system was developed. These two sources were chosen on the basis of their main property; in fact, combustion cells possess a high energy density compared to batteries, which, conversely, can provide much more power than hydrogen cells. Therefore, in our project they will be used in a complementary manner, and it is interesting to combine them to obtain high-efficiency locomotives that can travel under different conditions. A study was therefore conducted on a new electrical setup using a three-phase double motor with permanent magnets as the heart of the project. In such a motor, one three-phase winding is powered by the combustion cells, the other winding by the batteries. These two sources transfer power to the motor in a controlled manner via a FOC-type algorithm and a specially designed logic scheme. The main objective of this thesis was to validate the results obtained using the hardware-in-the-loop technique. This technique, hereinafter referred to as HIL, consists of a simulation in which some components are real, and others remain virtual. In this case, the real part is the microcontroller, i.e. the brain that is responsible for deciding how much power comes from the hydrogen combustion cells and how much from the batteries. Finally, the complete route where the train will be operational has been simulated. Through the imposition of speed limits and operating conditions, it was confirmed that the setup can be real-life.

Nel contesto internazionale attuale, uno degli obiettivi più importanti è diventato l'utilizzo di risorse sostenibili a livello ambientale. In particolare, nel mondo ferroviario è ancora tutt'oggi presente la locomozione attraverso combustibili fossili come il Diesel. Ciò che ci si prefigge in questa tesi è lo studio e la progettazione di un sistema di propulsione elettrica che possa sostituire i veicoli già presenti che non possono accedere ad una rete elettrificata. É stato dunque preso come campione una tratta ferroviaria percorsa da un treno a Diesel e attraverso l'utilizzo di celle a combustibile ad idrogeno e batterie è stato possibile sviluppare un sistema innovativo di propulsione. Queste due sorgenti sono state scelte in base alla loro proprietà principale; infatti, le celle a combustione posseggono un elevata densità energetica rispetto alle batterie che, viceversa, possono fornire molta più potenza rispetto alle celle ad idrogeno. Quindi, nel nostro progetto verranno impiegante in maniera complementare, e risulta interessante combinarle al fine di ottenere locomotori ad alto rendimento che possono viaggiare in condizioni differenti. É stato condotto uno studio quindi su un nuovo setup elettrico che prevede l'utilizzo di un motore doppio trifase a magneti permanenti che rappresenta il cuore del progetto. In tale motore, un avvolgimento trifase è alimentato dalle celle a combustione, l’altro avvolgimento dalle batterie. Queste due sorgenti trasferiscono potenza al motore in modo controllato, attraverso un algoritmo di tipo FOC ed uno schema logico appositamente studiato. L'obiettivo principe di questa tesi è stato validare, attraverso la tecnica Hardware-in-the-loop, i risultati ottenuti. Tale tecnica, in seguito indicata con HIL, consiste in una simulazione in cui alcune componenti sono reali ed altre rimangono virtuali. In questo caso, la parte reale è il microcontrollore ovvero il cervello che avrà il compito di decidere quanta potenza proviene dalle celle a combustione ad idrogeno e quanta dalle batterie. In fine, è stato simulato il percorso completo dove il treno potrà essere operativo. Attraverso l'imposizione di limiti di velocità e delle condizioni di funzionamento, è stato confermato che il setup può avere un riscontro reale.