Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΔ)
Permanent URI for this collection
Browse
Recent Submissions
- ItemOpen AccessΜέθοδοι αποδοτικής διαχείρισης ενέργειας ηλεκτρικών οχημάτων(2023-09-12)Το συνεχές ενδιαφέρον που σχετίζεται με το έξυπνο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και τα ηλεκτρικά οχήματα έχει πυροδοτήσει εντατική έρευνα για νέες τεχνολογίες και πρακτικές αποδοτικής διαχείρισης της ηλεκτρικής ενέργειας. Δομικά στοιχεία των έξυπνων δικτύων και των ηλεκτρικών οχημάτων αποτελούν οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές. Συνεπώς, η εύρεση μεθόδων για την αποδοτική διαχείριση της ενέργειας των συσσωρευτών είναι ιδιαίτερης σημασίας. Μέσα από την παρούσα Διδακτορική Διατριβή επιδιώκεται η πρόταση μεθόδων αποδοτικής διαχείρισης της ενέργειας ηλεκτρικών οχημάτων σε δύο βασικούς άξονες. Ο πρώτος άξονας αφορά την ανάπτυξη ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και αλγορίθμων με σκοπό τη διαχείριση της ενέργειας κάθε συσσωρευτή, ώστε να διασφαλιστεί ότι αυτός λειτουργεί κατά το βέλτιστο δυνατό τρόπο, εντός των προδιαγραφών που τίθενται από τον κατασκευαστή. Ο δεύτερος άξονας της διδακτορικής διατριβής αφορά τη διαχείριση της ενέργειας συσσωρευτών σε υψηλό επίπεδο, μέσα από την πρόταση αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού φόρτισης και υποβοήθησης λήψης αποφάσεων για την επιλογή του καταλληλότερου σταθμού φόρτισης, σύμφωνα με τις απαιτήσεις των οδηγών. Το ρόλο της διαχείρισης της ενέργειας των μεμονωμένων κελιών επιτελούν τα Συστήματα Διαχείρισης Συσσωρευτών (ΣΔΣ), που είναι ευρέως γνωστά με την αγγλική ορολογία Battery Management Systems (BMS). Τα BMS επιτελούν διττό ρόλο. Αφενός μεν επιτηρούν την κατάσταση των συσσωρευτών μέσω της συλλογής και επεξεργασίας μετρήσεων, αφετέρου δε, πραγματοποιούν εξισορρόπηση της στάθμης φόρτισής τους, ώστε να αποφεύγονται καταστάσεις υπερφόρτισης και υποφόρτισης που μπορεί να οδηγήσουν σε ραγδαία φθορά του συσσωρευτή. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή θεωρείται ότι η συστοιχία των συσσωρευτών χωρίζεται σε ομάδες των οκτώ συσσωρευτών. Συνεπώς, η εξισορρόπηση της ενέργειας πραγματοποιείται σε δύο επίπεδα, εσωτερικά κάθε ομάδας και μεταξύ των ομάδων. Για την εξισορρόπηση της ενέργειας των συσσωρευτών εντός μιας ομάδας, ακολουθώντας την ροή ενέργειας από ομάδα σε κελί (Module-to-Cell), προτείνεται ο αμφίδρομος μετατροπέας Flyback. Για την εξισορρόπηση της ενέργειας μεταξύ των ομάδων συσσωρευτών, ακολουθώντας την ροή ενέργειας από ομάδα σε ομάδα (Module-to-Module), προτείνεται ο αμφίδρομος μετατροπέας Quasi-resonant Flyback. Με τα πρωτότυπα που κατασκευάστηκαν στην παρούσα διατριβή επιτυγχάνεται εξισορρόπηση της ενέργειας των συσσωρευτών με υψηλή απόδοση και ρεύμα. Επίσης, ένα σημαντικό αποτέλεσμα της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η πρόταση μεθόδου για το χρονοπρογραμματισμό εξισορρόπησης των συσσωρευτών εντός μίας ομάδας με σκοπό τη μείωση των συνολικών απωλειών κατά τη διαδικασία της εξισορρόπησης. Ο δεύτερος άξονας της διατριβής σχετίζεται με τη λήψη αποφάσεων σχετικά με τη φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων σε σταθμούς φόρτισης. Η λήψη αποφάσεων πραγματοποιείται σε δύο κατευθύνσεις. Η πρώτη κατεύθυνση αφορά το χρονοπρογραμματισμό φόρτισης ενός ηλεκτρικού οχήματος σε σταθμό φόρτισης με χρήση μετα-ευρετικού αλγορίθμου βελτιστοποίησης. Η διαδικασία αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική για την επίτευξη της φόρτισης του οχήματος με γνώμονα τις ανάγκες μετακίνησης των οδηγών με χαμηλό κόστος και φθορά των συσσωρευτών κατά τη φόρτιση, αλλά και τη βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων του σταθμού, τηρώντας τους περιορισμούς που τίθενται από το διαχειριστή του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η δεύτερη κατεύθυνση σχετίζεται με την εφαρμογή της μεθόδου Analytic Hierarchy Process (AHP) για την υποβοήθηση των οδηγών κατά την επιλογή του καταλληλότερου σταθμού φόρτισης, αξιολογώντας τις υπηρεσίες φόρτισης που προφέρονται από τους κοντινότερους σταθμούς και επιλέγοντας το σταθμό εκείνο που καλύπτει σε μεγαλύτερο βαθμό τα κριτήρια που τίθενται από τους οδηγούς. Συμπερασματικά, μέσα από την παρούσα Διδακτορική Διατριβή επιδιώκεται η επίλυση του προβλήματος της διαχείρισης της ενέργειας συσσωρευτών ηλεκτρικών οχημάτων ολιστικά, αφενός μεν μέσα από τη διερεύνηση του χαμηλού επιπέδου που αφορά μεμονωμένους συσσωρευτές, αφετέρου δε, μέσω της λήψης αποφάσεων που σχετίζονται με τη διαδικασία της φόρτισης.
- ItemEmbargoΒελτιωμένος σχεδιασμός και έλεγχος μετατροπέων συντονισμού για φόρτιση συσσωρευτών(2023-09)Η φόρτιση των συσσωρευτών είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ανάπτυξη εφαρμογών στις οποίες απαιτείται αποθήκευση της ηλεκτρικές ενέργειας. Ειδικότερα, στον τομέα της ηλεκτροκίνησης υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι φόρτισης, ανάλογα με τις απαιτήσεις που θα πρέπει να εξυπηρετηθούν. Για παράδειγμα, υπάρχουν φορτιστές εκτός οχήματος για ταχεία φόρτιση, αλλά με περιορισμένη πρόσβαση λόγω των απαιτούμενων υποδομών για τέτοιου είδους σταθμούς φόρτισης. Υπάρχουν, επίσης, οι φορτιστές εντός οχήματος με τους οποίους η φόρτιση μπορεί να γίνει μέσω της συμβατικής παροχής του δικτύου, αλλά έχουν μικρότερες προδιαγραφές ώστε να μην επιβαρύνεται το όχημα, και τέλος υπάρχουν οι ασύρματοι φορτιστές οι οποίοι προσφέρουν μοναδικά πλεονεκτήματα αλλά έχουν μεγαλύτερη πολυπλοκότητα και περιορισμούς. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, η έρευνα επικεντρώνεται στις τελευταίες δύο κατηγορίες φορτιστών και συγκεκριμένα στο τμήμα του συστήματος που αφορά τη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε συνεχή, και στο οποίο γίνεται ο έλεγχος για την κατάλληλη φόρτιση των συσσωρευτών. Ειδικότερα, μελετώνται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που αποτελούνται από δύο πλήρεις γέφυρες με κύκλωμα συντονισμού ενδιάμεσα, καθώς προσφέρουν τη δυνατότητα σημαντικής μείωσης των διακοπτικών απωλειών. Λόγω, ωστόσο, της μεγάλης εξάρτησης των ηλεκτρικών μεγεθών του μετατροπέα από το μεταβαλλόμενο φορτίο στην έξοδο και τη συχνότητα λειτουργίας, αυξάνεται η δυσκολία σχεδιασμού και ελέγχου του κυκλώματος. Έτσι, στα πλαίσια της παρούσας εργασίας προτείνεται μια μεθοδολογία σχεδιασμού του κυκλώματος συντονισμού, ώστε να επιτυγχάνεται η ελάχιστη δυνατή καταπόνηση των στοιχείων χωρίς να γίνεται υπερδιαστασιολόγησή τους και να εξασφαλίζεται ταυτόχρονα η αποδοτική λειτουργία του μετατροπέα σε όλο το φάσμα φόρτισης των συσσωρευτών. Όσον αφορά τον έλεγχο του μετατροπέα, υλοποιείται με τη χρήση δύο μεταβλητών ελέγχου, της συχνότητας και της διαφοράς φάσης των παλμών της γέφυρας του αντιστροφέα. Με αυτόν τον τρόπο ρυθμίζεται είτε το ρεύμα είτε η τάση εξόδου, ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας του φορτιστή, και ταυτόχρονα εξασφαλίζεται η έναυση των ημιαγωγικών στοιχείων της γέφυρας του αντιστροφέα υπό μηδενική τάση (zero-voltage switching – ZVS). Η ανορθωτική γέφυρα οδηγείται σύγχρονα για μείωση των απωλειών αγωγής, ενώ οι διακοπτικές απώλειες σε αυτήν είναι μηδενικές λόγω της ομαλής μετάβασης του ρεύματος μεταξύ των ημιαγωγικών στοιχείων του ίδιου κλάδου. Έπειτα, γίνεται περαιτέρω διερεύνηση της επίδρασης που έχει η γωνία υπό την οποία επιτυγχάνεται ZVS, η οποία ορίζεται από τους μηδενισμούς της τάσης και του ρεύματος στην έξοδο του αντιστροφέα. Πιο συγκεκριμένα, μέσα από θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα φαίνεται πως η τιμή αυτής της γωνίας επηρεάζει τη μορφή και την ενεργό τιμή των ρευμάτων στο κύκλωμα συντονισμού, επομένως έχει επίδραση και στην καταπόνηση των στοιχείων του κυκλώματος. Έτσι, λοιπόν, υπάρχει συγκεκριμένη τιμή της γωνίας γιατί την οποία η απόδοση του μετατροπέα μεγιστοποιείται και μάλιστα είναι διαφορετική ανάλογα με την κατάσταση της φόρτισης. Βάσει αυτού, προτείνεται ένας αλγόριθμος ελέγχου με τον οποίο η εύρεση της τιμής για τη βέλτιστη λειτουργία γίνεται αυτόματα και ο οποίος μπορεί και προσαρμόζεται σε μετατροπείς με διαφορετικά σχεδιαστικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, προτείνεται μια εναλλακτική μέθοδος περιέλιξης του μετασχηματιστή ισχύος, ούτως ώστε να διευρυνθεί το εύρος σχεδιασμού για την επίτευξη της επιθυμητής επαγωγής μαγνήτισης και επαγωγής σκέδασης, αποφεύγοντας με αυτόν τον τρόπο τη χρήση επιπλέον πηνίων. Στη συνέχεια, ακολουθεί η μελέτη του ασύρματου φορτιστή που βασίζεται στην επαγωγική μεταφορά ενέργειας και τη χρήση του απλού κυκλώματος αντιστάθμισης σειράς-σειράς. Η αρχή λειτουργίας του κυκλώματος είναι ίδια με αυτήν του ενσύρματου φορτιστή, με τη βασική διαφορά ότι ο μετασχηματιστής αντικαθίσταται από συζευγμένα πηνία με μεταβλητή σύζευξη. Επομένως, δεδομένου ότι ο μετατροπέας θα πρέπει να ανταποκρίνεται επαρκώς στις μεταβολές των παραμέτρων του κυκλώματος συντονισμού, προτείνεται μια μεθοδολογία σχεδιασμού για την εξασφάλιση της λειτουργίας του μετατροπέα σε ένα ευρύ φάσμα του συντελεστή σύζευξης και για όλο το εύρος φόρτισης, περιορίζοντας ταυτόχρονα την καταπόνηση των στοιχείων του, με στόχο την αποδοτική λειτουργία του κυκλώματος. Επιπλέον, εφαρμόζεται ο ίδιος αλγόριθμος ελέγχου για την εύρεση του σημείου λειτουργίας με τη μέγιστη απόδοση. Έτσι, ο ασύρματος φορτιστής έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί αποδοτικά υπό διαφορετικές συνθήκες της κάθετης απόστασης και της ευθυγράμμισης μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Η θεωρητική ανάλυση, οι διαδικασίες σχεδιασμού και η μέθοδος ελέγχου που παρουσιάζονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή, επιβεβαιώνονται μέσω προσομοιώσεων και μετέπειτα με την υλοποίηση εργαστηριακών πρωτοτύπων για επαλήθευση των αποτελεσμάτων.
- ItemOpen AccessDevelopment of semi-supervised machine learning algorithms and applicationsThe well-established approach of Supervised learning is a branch of the broader science of artificial intelligence. The aim of this learning philosophy is the development of computer programs to automatically improve their experience through the extraction of useful information from annotated examples. The methodology of this learning approach is extremely useful in real world applications where large collections of data are available related to problems where absolute associations of the input data and the outcomes cannot be discovered or approximated by explicit mathematic formulations. Such scientific fields include observed data of text, audio or image formats. The classic methodology of supervised learning comes with the cost of annotating, usually referred as ‘labeling’ process, the available data instances of a dataset often by human experts in a field. Considering that modern big datasets can have terabytes of data; it is a very inefficient procedure for humans to tackle. This intrinsic bottleneck is addressed by Semi-supervised learning (SSL), which allows the model to incorporate part or all of the available unlabeled data into its supervised learning. The goal of SSL is to maximize a model's learning performance while reducing the amount of labor required by using such newly labeled instances. This thesis is oriented in the improvement of a sub-category of SSL algorithms referred as self-labeled techniques, and the application of them in real world problems. Numerous important questions are answered such as: Which learning algorithms can best utilize the self-labeling schemes? Can the introduction of ensemble learning along with semi-supervised learning provide classification improvements in real world problems such as speaker identification or educational grade prediction? Is it possible to define a new multi-regressor learning scheme based on self-labeling that can rival the existing semi-supervised regression algorithms? Can iterative data imputation be improved through the introduction of self-training? In health-related datasets is it possible to take advantage of unlabeled test sets to balance the shortage of examples through semi-supervised transductive learning?
- ItemOpen AccessControl and nonlinear stability analysis of the electromechanical system of electric vehiclesThe present PhD dissertation is addressed in the research field of control and analysis of motion systems in vehicular industry and more precisely in providing a systematic procedure for the control design applied on electrified vehicles with respect to the system stability. In particular, taking into account the nonlinear representations of all components involved in an electrified vehicle, namely the energy storage, both electric and internal combustion motors, and power converters, an accurate model is developed that sets the basis for control design and analysis purposes. System performance is examined in a first place via the proposal of a novel open-loop stability analysis. The latter is conducted by applying Lyapunov based nonlinear techniques that actually prove system convergence to its desired equilibrium for any feasible bounded control input signals. Those theoretical results set the cornerstone towards adopting intelligent control techniques, fuzzy and neurofuzzy, due to the bounded control signals they produce and their efficiency in copying with system nonlinearities and uncertainties. In a similar manner, a combination of sliding mode and field oriented techniques are applied and provide an improved system dynamic behavior endowing it with characteristics of robustness with the system stability again to be proven based on the novel open-loop analysis. Towards extending the aforementioned effort, a general systematic procedure for control design based on simple cascaded PI controllers that can ensure stability for a wide category of Euler-Lagrange systems is developed. In this framework, asymptotic stability is proven for the electrified vehicle system by keeping in mind its desired equilibrium and applying proper cascaded PI controllers with their gains to be tuned based on the adopted systematic analysis. In addition, a vehicle to grid system is also considered and analysed based on the proposed method and its accurate dynamic representation. Specifically, in a first stage the mathematical representation of a vehicle to grid system combined with multiple connected vehicles is deployed and its stability is proven by applying trivial PI controllers and adopting the proposed open-loop analysis. Afterwards, a unified vehicle to grid - plug-in electric vehicle system is developed and controlled based on the proposed systematic passivity based procedure that ensures global asymptotic stability of the entire system around its desired equilibrium. In all cases, the extracted theoretical results are verified by conducting extensive simulations that indicate a satisfactory system response with smooth transients and a successful driving of the entire system to its desired equilibrium.
- ItemOpen AccessMethods and tools to support instructional quality in online discussions in massive open online coursesThe thesis deals with ways to improve and maintain the instructional design quality in Massive Open Online Courses (MOOCs). More concretely, our goal is to support the decision making of MOOC practitioners (e.g., instructional designers, instructors) at run-time, i.e., when the course is active, on instructional quality issues. The main gap that we address is that existing evaluation studies of instructional quality do not assess the supporting strategies adopted by the instructional staff (i.e., learner facilitators) to support learners in the forum. To address this gap we follow a three-phase research methodology. In the first phase we perform three case studies that extend the existing empirical research on the intervention characteristics and the problems of learner facilitators in courses of different subject matter. In the second phase, we perform an in-depth case study in which we provide empirical evidence about the main instructional approaches learner facilitators adopt in MOOC forums, and unravel the quality issues that are associated with them. Then, we proceed to the formulation of a data-driven methodology that aims to guide MOOC system-tool developers in designing tools that help instructors keep track of such instructional approaches, and support their decision-making at run-time. In the last phase, we use the data-driven methodology to design and develop a runtime tool that supports the decision making of instructors in MOOCs. Specifically, we provide a proof of concept regarding the feasibility and usefulness of the proposed methodology in designing new software applications. This contribution has been evaluated throughout the research process of three case studies performed in MOOC contexts, and a set of semi-structured interviews with experts.