Development and control of an energy management system for onboard freight train sensors

This thesis presents the modeling, simulation, and performance evaluation of an onboard energy management system for freight trains, developed entirely in MATLAB® and Simulink®. The system is based on a three-phase PCB generator mounted on the wheelset, whose output is rectified and managed by a Buck-Boost converter that charges a LiPo battery. A second Buck converter then supplies power to a resistive load representative of onboard sensors. A central aspect of the work is the implementation of a cascaded control structure for both converters, regulating output voltage and inductor current. The control strategy is designed using an average modeling approach and is validated through a series of dynamic simulations, including variations in generator speed, load steps, and sensor noise injection. A Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm based on the Perturb and Observe method is also included to ensure efficient power extraction under varying speed conditions. Battery modeling is addressed through experimental testing, enabling the creation of a parametric model that is integrated into the overall system. This allows for realistic simulation of Constant Current – Constant Voltage (CC–CV) charging via the dynamically generated current reference. The system was first subjected to a series of performance tests aimed at assessing the effectiveness and robustness of the control architecture under varying operating conditions, including acceleration phases, load steps, and measurement disturbances. Finally, a realistic 100-hour mission profile was simulated, using actual train speed and load data, to confirm the system’s ability to manage energy efficiently during a specific journey.

Questa tesi presenta la modellazione, la simulazione e la valutazione delle prestazioni di un sistema di gestione dell’energia installato a bordo di vagoni di treni merci, sviluppato interamente in MATLAB® e Simulink®. Il sistema si basa su un generatore trifase implementato su PCB e montato sulla boccola del vagone, il cui segnale viene raddrizzato e gestito da un convertitore Buck-Boost con l’obiettivo di caricare una batteria LiPo. Un secondo convertitore Buck fornisce invece energia a un carico resistivo rappresentativo dei sensori di bordo. Un aspetto centrale del lavoro è l’implementazione di una struttura di controllo a cascata per entrambi i convertitori, in grado di regolare la tensione e la corrente. La strategia di controllo è stata progettata utilizzando un modello medio ed è stata validata attraverso una serie di simulazioni dinamiche, comprensive di variazioni della velocità del generatore, variazioni del carico e iniezione di disturbi di misura. È stato inoltre integrato un algoritmo di Maximum Power Point Tracking (MPPT) basato sul metodo Perturb and Observe, per garantire un’efficiente estrazione di potenza al variare della velocità. La modellazione della batteria è stata affrontata tramite test sperimentali, che hanno permesso la realizzazione di un modello parametrico. Questo ha reso possibile simulare realisticamente la ricarica in modalità Corrente Costante - Tensione Costante tramite un riferimento di corrente generato dinamicamente. Il sistema è stato inizialmente sottoposto a una serie di test di performance, con l’obiettivo di valutarne l’efficacia e la robustezza della struttura di controllo in condizioni operative variabili, come fasi di accelerazione, variazioni di carico e disturbi sulle misure. Infine, è stato simulato un profilo di missione realistico della durata di 100 ore, utilizzando dati reali di velocità del treno e potenza assorbita dal carico, per mostrare la validazione del sistema in un’applicazione pratica.