Battery electric traction chain analysis of heavy duty mining truck

This thesis, carried out in collaboration with Microelettrica Scientifica S.p.A., develops and investigates a physically consistent system-level simulation framework for a batteryelectric heavy-duty mining truck, with emphasis on the electrical traction chain under realistic mining duty cycles. The work explains the model of the principal powertrain components battery pack, traction motors, inverters, DC link elements, and supervisory control architecture and analyzes how power, torque, and energy propagate through the system, quantifying the electrical demand requirements during different operational phases. The simulation is implemented as a forward-dynamic model in MATLAB/Simulink, where each component is driven by physical inputs rather than predefined outputs, ensuring energetic consistency across the full traction chain. Duty cycles are derived from actual route data from the Kevitsa open-pit mine in Finland, capturing real gradients, hauling distances, and alternating loaded and unloaded driving conditions typical of mining transport. Through simulation, the study evaluates the traction performance, regenerative braking potential, battery energy, and the thermal and electrical limits of key components in sustained high-load operation. The interaction between motor thermal constraints and inverter current limits is examined in detail, as these define the practical boundaries of continuous operation in demanding mining environments. Results are used to characterize the complete power flow within the mining truck traction system, tracing energy transfer from the battery pack to the mechanical drivetrain during traction and back to the battery during regenerative braking. The framework enables verification of the power balance at the system-level, evaluation of energy efficiency, and identification of operational limits imposed by thermal and electrical constraints. The model further provides a quantitative basis for comparison with conventional diesel trucks. Designed to be modular and extensible, the framework is suitable for digital twin integration and for exploring electrification strategies in heavy-duty mining applications.

Questa tesi, svolta in collaborazione con Microelettrica Scientifica S.p.A., sviluppa un modello di simulazione a livello di sistema fisicamente coerente per un autocarro minerario pesante completamente elettrico, con particolare attenzione alla catena di trazione elettrica in condizioni operative realistiche. Il modello include i principali componenti del powertrain pacco batterie, motori di trazione, inverter, elementi del collegamento in corrente continua (DC link) e logica di controllo supervisore analizzando le principali grandezze quali potenza, coppia ed energia lungo il sistema e quantificando le domanda neccessitta diverse fasi operative. La simulazione è implementata con un modello dinamico diretto in MATLAB/Simulink. Ciascun componente è governato da ingressi fisici anziché da uscite predefinite, garantendo coerenza energetica lungo l’intera catena di trazione. I cicli di missione derivano da dati reali della miniera a cielo aperto di Kevitsa (Finlandia), includendo pendenze, distanze di trasporto e condizioni alternate di carico e scarico. I risultati consentono di caratterizzare il flusso completo di potenza nel sistema di trazione, tracciando il trasferimento di energia dalla batteria alla trasmissione meccanica in trazione e il recupero verso la batteria in frenata rigenerativa. Il modello permette la verifica del bilancio di potenza, la valutazione dell’efficienza energetica e l’analisi dei limiti opera- tivi imposti da vincoli termici ed elettrici, fornendo inoltre una base quantitativa per il confronto con autocarri minerari diesel convenzionali. La struttura modulare rende il framework idoneo a future applicazioni di digital twin e allo studio di strategie di elettrificazione per veicoli minerari pesanti.