Powertrain development for a hybrid autonomous railway vehicle

Railway vehicles have historically represented one of the most promising transportation systems, ensuring high levels of safety and comfort through rigorous operational standards. Failures in railway infrastructure can have catastrophic consequences, including significant economic losses due to service disruptions, repair costs and potential damage to goods in transit. Safeguarding railway infrastructure against intentional threats, such as terrorism, necessitates effective protective measures. The development of an Unmanned Railway Vehicle (URV), equipped with vision systems to ensure long-distance/perimeter vision and recognition of anomalies, aims to enhance surveillance and protection of high-speed lines. The need to keep the vehicle size and weight as smaller as possible prevented the use of the overhead contact line as power supply. Therefore, the URV powertrain has been designed with a series hybrid architecture. This approach ensured a reasonably high operational range while also aligning with the global shift towards sustainable mobility, aiming to enhance energy efficiency and reduce reliance on fossil fuels. This thesis details the development of this kind of hybrid railway vehicle. Due to the series hybrid architecture adopted, the design of the URV includes the integration of a Range Extender (thus an internal combustion engine coupled with an electric generator) to the purely electric propulsion provided by the batteries and traction motors. Among the main activities, there is the development and setup of all vehicle systems; in particular, the high voltage system which involves powertrain components, the low voltage system which supplies the control units and the pneumatic braking system. However, the core of the work lies in the software development of the URV, which mainly includes the control and management algorithms implemented in the Vehicle Control Unit (VCU), which handles all vehicle operations. A Software-in-the-Loop (SiL) test bench has been developed to safely test and debug the VCU software; this involved the synthesis of a vehicle model to simulate longitudinal dynamics and powertrain elements, allowing for realistic control scenarios and dynamic failure management testing. The experimental validation has been performed using a roller test bench, where the powertrain operating points have been evaluated and real mission profiles have been simulated. The results obtained by the test sessions confirmed the accuracy of control algorithms. However, the evaluation of the vehicle performance in low adhesion conditions will need to be carried out on a real track.

I veicoli ferroviari hanno storicamente rappresentato uno dei sistemi di trasporto più promettenti, garantendo alti livelli di sicurezza e comfort attraverso rigorosi standard operativi. Tuttavia, i guasti all'infrastruttura ferroviaria possono avere conseguenze catastrofiche, come perdite economiche significative a causa delle interruzioni del servizio, costi di riparazione e potenziali danni alle merci in transito. La protezione dell'infrastruttura ferroviaria contro minacce intenzionali, come il terrorismo, richiede misure protettive efficaci. Lo sviluppo di un veicolo ferroviario senza pilota (Unmanned Railway Vehicle), dotato di sistemi di visione per garantire la ricognizione a lunga distanza/perimetrale e il riconoscimento delle anomalie, punta a migliorare la sorveglianza e la protezione delle linee ad alta velocità. La necessità di mantenere le dimensioni e il peso del veicolo il più ridotti possibile ha impedito l'uso della catenaria come fonte di alimentazione. Pertanto, il sistema di propulsione dell'URV è stato progettato con un'architettura ibrida di tipo serie. Questo approccio ha garantito un'autonomia operativa ragionevolmente elevata, allineandosi allo stesso tempo con il cambiamento globale verso la mobilità sostenibile, mirata a migliorare l'efficienza energetica e a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Questa tesi descrive lo sviluppo di questo tipo di veicolo ferroviario ibrido. A causa dell'architettura adottata, la progettazione dell'URV prevede l'integrazione di un Range Extender (quindi un motore a combustione interna accoppiato ad un generatore elettrico) alla propulsione puramente elettrica fornita dalle batterie e dai motori di trazione. Tra le principali attività, vi è lo sviluppo e l'installazione di tutti i sistemi del veicolo; in particolare, il sistema ad alta tensione che coinvolge i componenti del powertrain, il sistema a bassa tensione che alimenta le unità di controllo e l’impianto di frenatura pneumatico. Tuttavia, il fulcro del lavoro risiede nello sviluppo del software dell'URV, che include principalmente gli algoritmi di controllo e gestione implementati nella Unità di Controllo Veicolo (VCU), che gestisce tutte le operazioni a bordo. È stato sviluppato un banco prova di tipo “Software-in-the-Loop” (SiL) per testare e correggere in totale sicurezza il software della VCU; per fare ciò, è stata necessaria la sintesi di un modello del veicolo per simulare sia la dinamica longitudinale che gli elementi del powertrain. Ciò ha permesso di simulare scenari realistici e di testare la gestione dinamica dei guasti. La validazione sperimentale è stata effettuata utilizzando un banco prova a rulli, attraverso il quale sono stati validati i punti di lavoro del powertrain e sono stati ricreati profili di missione reali. I risultati ottenuti dalle sessioni di test hanno confermato l'accuratezza degli algoritmi di controllo. Tuttavia, la valutazione delle prestazioni del veicolo in condizioni di bassa aderenza dovrà essere effettuata direttamente su rotaia.