Hybrid power systems for on-board railway application: design and economic feasibility study

This thesis, carried out in collaboration with Microelettrica Scientifica S.p.a., investigates the complex domain of energy management systems for railway applications, diving into the integration of a hybrid unit consisting of a battery pack, resistor system and a cooling system to improve the performance and efficiency of railways. Starting with a literature review, multiple innovations in railway energy management are examined, dealing with the evolution of battery technologies, state-of-charge estimation methods, and thermal management technics. A methodological analysis with the help of MATLAB/Simulink is conducted to simulate the different dynamic behaviours of the system, including models for batteries, resistors, cooling circuits, and conducting cost estimations comparing the hybrid system to the conventional system. The case study is conducted on Italian regional railway lines with the Hitachi Caravaggio ETR521 train offering insights into the real-life implementation of the proposed system. Simulation results highlight the dynamic and thermal behaviour of the battery pack and the liquid cooled brake resistor system for railway applications. Various road profiles and duty cycles are evaluated for battery sizing and thermal management. Particularly, the utilization of five chillers in series appeared as the most effective solution ensuring sufficient cooling for both the components. Furthermore, computer-aided design (CAD) drawings provide a visual representation of the different components enhancing the understanding of the system fits within the train gauge. Finally, the study concludes in the discussion of future developments in the field, highlighting the potential for ongoing innovation and optimization. This includes improvement of system efficiency, battery technologies and discovering novel approaches to thermal management.

Questa tesi, svolta in collaborazione con Microelettrica Scientifica S.p.a., studia il complesso dominio dei sistemi di gestione dell'energia per applicazioni ferroviarie, approfondendo l'integrazione di un'unità ibrida costituita da un pacco batterie, un sistema di resistenze e un sistema di raffreddamento per migliorare le prestazioni e l'efficienza delle ferrovie. Partendo da una rassegna della letteratura, vengono esaminate molteplici innovazioni nella gestione dell'energia ferroviaria, affrontando l'evoluzione delle tecnologie delle batterie, i metodi di stima dello stato di carica e le tecniche di gestione termica. Un'analisi metodologica con l'ausilio di MATLAB/Simulink viene condotta per simulare i diversi comportamenti dinamici del sistema, includendo modelli per le batterie, le resistenze, i circuiti di raffreddamento e per condurre stime dei costi confrontando il sistema ibrido con il sistema convenzionale. L’applicazione in questione è stata condotta su linee ferroviarie regionali italiane con il treno Hitachi Caravaggio ETR521, che offre spunti per l'implementazione reale del sistema proposto. I risultati della simulazione evidenziano il comportamento dinamico e termico del pacco batterie e del sistema di resistenze del freno raffreddato a liquido per applicazioni ferroviarie. Vengono valutati diversi profili stradali e cicli di lavoro per il dimensionamento della batteria e la gestione termica. In particolare, l'utilizzo di cinque refrigeratori in serie è risultata la soluzione più efficace per garantire un raffreddamento sufficiente di entrambi i componenti. Inoltre, i disegni CAD (Computer-Aided Design) forniscono una rappresentazione visiva dei diversi componenti, migliorando la comprensione del sistema all'interno della sagoma del treno. Infine, lo studio si conclude con la discussione degli sviluppi futuri del settore, evidenziando il potenziale di innovazione e ottimizzazione in corso. Ciò include il miglioramento dell'efficienza del sistema, le tecnologie delle batterie e la scoperta di nuovi approcci alla gestione termica.