Contributions to power management and dynamics control in hybrid vehicles
- Autores: David Marcos Rodríguez
- Directores de la Tesis: Carlos Bordóns Alba (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Número de páginas: 194
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Fernández Camacho (presid.), Johan Wideberg (secret.), Pablo Luque Rodríguez (voc.), José Manuel Andújar Márquez (voc.), Francisco Rodríguez Díaz (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
Introducción Justificación Desde el descubrimiento de la rueda, el transporte por carretera ha tenido un papel vital en la historia de la humanidad, para transporte de mercancías, animales o personas. En la década de 1880, Karl Benz patentó los primeros coches con motor de combustión interna, que en poco tiempo se convertiría en el principal modo de tracción.
Hoy, el número de vehículos no para de crecer, y las emisiones de los mismos suponen un problema, reconocido por casi todos los organismos competentes. El precio del combustible y una mayor preocupación por el medio ambiente está abriendo una tendencia en fabricantes y consumidores hacia unos vehículos con menos emisiones.
A su vez, los consumidores no quieren renunciar a las posibilidades y comodidades de los vehículos actuales. Por lo tanto, los vehículos del futuro deberán tener al menos la misma potencia, e incorporar avances en comodidad y seguridad.
Control automático en vehículos Como en todos los campos tecnológicos, la automoción ha sufrido un gran cambio en los últimos años, debido al uso de microprocesadores. Los coches hoy tienen kilómetros de cable, frente a las no más de 40 líneas que había antaño, para alimentar las luces, las bujías y el motor de arranque.
La primera mejora significativa fue la introducción de la inyección en los años sesenta, sistema que optimiza la entrada de combustible al motor, proporcionando mayor potencia con un menor consumo. En los años setenta Bosch desarrolló el sistema ABS, que constituyó un hito, pues fue el primero que actuaba para cambiar la dinámica del coche, en este caso evitando el bloqueo de las ruedas en el frenado, acortando la distancia de frenado y evitando la pérdida de control por parte del conductor. En los años siguientes, cientos de sistemas electrónicos fueron introducidos en los coches, como elevalunas eléctrico, sensor de lluvia o airbag.
Todos estos sistemas están controlados por un sistema electrónico, llamado ECU. Los coches modernos suelen montar más de cien ECUs, que se ocupan de labores específicas, a distintos niveles. La más importante es la que se encarga del control del motor, inyección, etc. Cada ECU lee los sensores relativos a su función, procesa la información, y envía la señal de control adecuada a los actuadores. A su vez, pueden enviar o recibir información de otras ECUs, para actuar de manera coordinada, o compartir información de determinados sensores.
Los sistemas de control se pueden dividir en tres categorías: sistemas que no influyen directamente en el comportamiento del coche (cierre centralizado, control del ángulo de los faros), sistemas que ayudan al conductor (ABS) y sistemas que sustituyen al conductor (velocidad de crucero, conducción autónoma). De estos, el primero y el tercero quedan fuera del estudio de esta tesis. En cuanto al segundo, hay numerosas líneas de investigación abiertas. Con un vehículo con motor de combustión interna (ICEV), los controladores actúan sobre los frenos y la inyección. Los motores eléctricos facilitan este control, mientras que en el caso de los vehículos con motores en cada rueda, la actuación se hace directamente en cada motor, posibilitando un mayor y mejor control.
Coches híbridos Un coche híbrido es aquel que tiene más de un tipo de sistema de almacenamiento de energía. Por ejemplo: gasolina y baterías. Pese a que el primer coche híbrido se fabricó hace más de cien años, ha sido desde la comercialización del Toyota Prius (1997) cuando han sido una opción real frente a los ICEVs. Hoy cada vez están más extendidos, y ya casi todas las marcas incluyen al menos algún micro-híbrido, con el sistema de parada automática del motor cuando el coche está detenido. Quizás la tendencia más fuerte ahora mismo sea la de los híbridos enchufables (PHEVs), que ofrecen la posibilidad de cargar el coche desde la red eléctrica.
Existen tres arquitecturas básicas de vehículos híbridos: en serie, en paralelo y combinada. En la primera el ICE (o en su caso otra fuente auxiliar de potencia) mueve un generador, cuya potencia eléctrica va al bus de potencia, donde se reparte entre el motor que da la tracción a las ruedas y la recarga de baterías. En la configuración paralela, tanto el ICE como el motor eléctrico están conectados a un sistema mecánico, de manera que ambos aportan tracción a las ruedas. Finalmente en la arquitectura combinada el ICE aporta tanto tracción como movimiento al generador para que se genere energía eléctrica.
Aunque el combustible líquido es junto a las baterías la fuente de energía más común en coches híbridos, todas las compañías están investigando con otras fuentes. La que mayor fuerza tiene en este momento es el hidrógeno. Así, las pilas de combustible (FCs) toman este combustible y oxígeno del ambiente, generando energía eléctrica, y agua como único residuo. De esta forma, y teniendo en cuenta que el hidrógeno puede obtenerse por fuentes renovables, el coche con pila de hidrógeno resulta un vehículo respetuoso con el medio ambiente, y cuya fuente de energía no es limitada, como en el caso de los IECVs.
Objetivos de la tesis El objetivo de esta tesis es cubrir los principales problemas de control para tres tipos de vehículos híbridos: ICE PHEVs, FCHVs y vehículos con motores independientes en cada rueda. Coches que representan las principales tendencias en automoción a corto y medio plazo.
Control de potencia en FCHVs En este capítulo se presentan dos vehículos híbridos con pila de combustible, que pertenecen a los proyectos Delfín y Hércules, desarrollados junto a los grupos de investigación de distintas corporaciones públicas y privadas. En estos coches se prueban varias configuraciones para este tipo de vehículo, y en el caso del segundo se hace un modelo del sistema de potencia y un controlador para el mismo.
Proyectos Delfín En los proyectos Delfín I y II se ha partido de un vehículo eléctrico comercial (GEM eL), al que se le han añadido una serie de dispositivos para convertirlo en un vehículo híbrido.
Delfín I En el Delfín I al coche original se le añadió una pila pila de combustible de 12 kW, un sistema de almacenamiento de hidrógeno y un convertidor de potencia para acoplar la pila de combustible al sistema eléctrico de potencia existente en el coche. A su vez, se instaló un sistema de control para gestionar los flujos de potencia entre los distintos dispositivos y un entorno gráfico interactivo para el usuario.
El sistema se probó bajo distintas condiciones de conducción, comprobándose que era capaz de suministrar la potencia necesaria para satisfacer los requerimientos el conductor.
Delfín II Basado en el mismo coche que el Delfín I, el sistema de almacenamiento de hidrógeno y el motor eléctrico son los dos únicos elementos de potencia que se mantienen respecto a la primera versión. Las baterías se sustituyeron de 6 a 4 baterías de gel de 12V, el convertidor de potencia tuvo que ser rediseñado, y la pila de combustible fue cambiada por dos \textitstacks de 1'2 kW.
En este caso el sistema de control se divide en tres niveles. El nivel superior se encarga de la gestión de potencia global del vehículo. Recibe como referencia la posición del pedal del acelerador (lo que aporta una estimación de la potencia requerida por el conductor), y envía las referencias de potencia a los controladores de las pilas de combustible y a los convertidores de potencia. El segundo nivel divide la potencia requerida para las pilas por el controlador anterior entre las dos pilas. Por último, el controlador de bajo nivel se encarga del control interno de cada una de las pilas (temperatura y flujo de aire).
Este sistema fue probado experimentalmente, comprobándose el buen funcionamiento de las pilas, así como del control de potencia, satisfaciendo los requerimientos del conductor.
Proyecto Hércules El proyecto Hércules, y en particular su subproyecto "El León" consiste en el diseño y montaje del prototipo de un vehículo híbrido con pila de combustible. Este parte del chasis de un Santana 350, sobre el que se montan todos los dispositivos de potencia. Estos son:
- Una pila de combustible de 56 kW, junto a su sistema de almacenamiento de hidrógeno (hasta 2'4 kg de hidrógeno).
- Un pack de baterías de ión litio, consistente en cuatro módulos en serie, de trece celdas de 3'7V, también en serie.
- Un motor síncrono de imanes permanentes, de potencia nominal 66 kW y par máximo de 460 Nm.
El sistema de potencia de este vehículo ha sido modelado para probar distintas configuraciones o estrategias de control. Sobre este modelo se ha implementado un controlador MPC para la gestión de potencia. Dicho controlador recibe como entradas la potencia requerida y el estado de carga de las baterías, siendo las variables manipuladas las referencias de potencia a los distintos dispositivos: motor, pila de combustible, baterías y resistencia de frenado.
El controlador penaliza tanto la potencia requerida a cada fuente como su variación. Por otra parte las restricciones aseguran que los dispositivos no se salgan de sus rangos de funcionamiento y fuerzan al controlador a aportar la potencia requerida por el conductor.
Finalmente, el modelo se amplió con la inclusión de una nueva fuente de energía: los supercondensadores, adaptando para ello el controlador. Se probaron otras dos configuraciones, sustituyendo estos total o parcialmente a las baterías.
Gestión de potencia de un PHEV bastado en la estimación de la energía del ciclo En este capítulo se trabaja sobre el modelo del sistema de potencia del PHEV \textitChevrolet Volt, aportado por los organizadores de la sesión especial para un benchmark en el congreso Ecosm 2012. El modelo incluía un conductor virtual, cuya salida era el par requerido de manera que el coche siguiera un determinado ciclo. El controlador debía proporcionar esta potencia, minimizando el consumo final de baterías y combustible, y consumiendo los mínimos recursos posibles (memoria y tiempo de CPU), evidentemente sin sobrepasar las restricciones de cada dispositivo.
El vehículo tiene un ICE, dos motores eléctricos (motor y generador) y tres embragues, permitiendo cuatro modos de funcionamiento: eléctrico puro con uno o dos motores, \textitrange extender y \textitpower split. El controlador tiene como entradas la demanda de par, el par máximo regenerativo, la velocidad del vehículo, el estado de carga de las baterías y una estimación de la distancia total y de la velocidad media del trayecto completo. Como salidas tiene los pares de los tres motores, la velocidad del generador, y el estado de los tres embragues (abierto/cerrado) y del ICE (apagado/encendido).
El controlador propuesto se divide en dos niveles. En el nivel más alto se estima la energía que el vehículo va a necesitar para completar el ciclo a través de los datos aproximados de distancia total y velocidad media. Esta estimación se irá corrigiendo según avance el tiempo. A la vez, a partir del SOC calcula la energía restante en las baterías. De esta manera se estima la energía que debe aportar el motor de combustión. La energía de las baterías se administrará de manera que el ICE pueda funcionar de la manera más eficiente posible.
El nivel más bajo recoge las referencias del más alto, y gestiona los modos de funcionamiento y la potencia de cada dispositivo de la forma más eficiente posible, a la vez que cuida que se cumplen las restricciones.
Para probar el controlador, se realizaron varias pruebas tanto de aceleración como de comportamiento en ciclos de conducción, resultando un controlador eficaz, pues cumplió todas las restricciones, sencillo, lo cual disminuye el uso de memoria y tiempo de CPU y eficiente, dado que el controlador trata de minimizar el consumo tanto a nivel de planificación (alto nivel) como de actuación (bajo nivel).
Desarrollo y validación de un modelo térmico para el habitáculo de un vehículo En un vehículo con motor de combustión interna el calor para la calefacción se toma del circuito de refrigeración del motor, mientras que el compresor del aire acondicionado se acopla al motor mediante un embrague. En los coches eléctricos e híbridos el motor de combustión, en caso de haberlo, no está siempre activo, y el motor eléctrico no sufre un calentamiento tan grande ni tiene un ralentí: cuando el coche está parado, el motor también lo está. Por lo tanto es necesario un nuevo sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). Este sistema debe estar presente en el cálculo de consumo del coche. Se hace necesario por tanto el desarrollo de un modelo térmico del habitáculo del coche para conocer la transferencia de calor del aire del mismo, y estimar así el consumo del sistema de HVAC.
En este capítulo se describe un modelo para el habitáculo de un BMW serie 1. Para el mismo se han hecho las siguientes suposiciones: las superficies que delimitan el habitáculo son planas, la inercia térmica tanto de los cristales como del techo es despreciable y las únicas superficies del vehículo que intercambian calor con el exterior son los cristales y el techo.
El aire del habitáculo intercambia calor con:
- Ocupantes del coche. El calor transferido es hallado a partir de los valores calculados por ASHRAE.
- Elementos internos del vehículo. Estos se modelan como una superficie con una inercia térmica, estimada a partir de ensayos experimentales. Se supone que la radiación que entra en el habitáculo incide en estos elementos.
- El aire exterior, a partir del flujo másico por filtraciones y el sistema de ventilación.
- Las superficies internas de los cristales y el techo por convección.
El flujo de calor en las paredes del habitáculo se calcula a partir de ecuaciones teóricas y correlaciones experimentales, teniendo en cuenta la radiación incidente, la convección exterior, la conducción y finalmente la convección interior.
Para validar el modelo, se instaló una red de sensores de temperatura en un coche real, realizando tres tipos de pruebas: coche vacío y parado en un aparcamiento subterráneo, coche vacío y parado al aire libre y coche con un ocupante moviéndose, al aire libre. La similitud de los resultados experimentales y de las simulaciones permite validar el modelo.
Gestión de potencia en vehículos híbridos con HVAC En este capítulo se utiliza el modelo térmico del habitáculo de un vehículo para calcular la influencia del sistema HVAC sobre un coche híbrido. Para ello se incluye este modelo en el modelo del sistema de potencia del vehículo en estudio.
Modelo de aire acondicionado Este modelo no puede ser introducido directamente. Es necesario acoplar entre los dos un tercer modelo, del propio HVAC, que calcule la potencia del compresor a partir del cálculo de la transferencia de calor hacia el aire del habitáculo. El modelo del habitáculo ha sido mejorado, añadiendo el cálculo de la humedad y del calor latente.
El modelo de HVAC calcula esta potencia a partir de los datos del propio sistema de refrigeración (capacidad y COP nominales) y de una serie de factores de corrección, que tienen en cuenta la influencia sobre el sistema de trabajar fuera de su punto nominal.
Integración y resultados El modelo del habitáculo junto con el de aire acondicionado se integró en dos modelos del sistema de potencia vehículos híbridos de distintos tipos y fuentes de energía. Por una parte se integró en el modelo de un FCHV formado por un BMW serie 1 con pila de combustible, y con un controlador MPC como el expuesto en el Capítulo 2. Se realizaros varias simulaciones, cambiando las condiciones meteorológicas, el número de ocupantes y el SOC inicial para dos ciclos de conducción: uno urbano (FUDS) y otro de autopista (ARTEMIS highway).
De la misma manera se integró el modelo en el PHEV descrito en el Capítulo 3, donde se realizaron simulaciones para distintas condiciones meteorológicas y número de ocupantes, para los mismos ciclos de conducción que el vehículo anterior.
A su vez, se realizaron las mismas simulaciones con el aire acondicionado desconectado. Comparando los resultados, se demuestra que el consumo del sistema de aire acondicionado incrementa normalmente entre un 3 y un 9\% el consumo de energía, llegando a valores de hasta el 35\% en el ciclo de ciudad del híbrido enchufable.
Modelado y control de par de un vehículo con cuatro motores en ruedas Descripción del vehículo En este capítulo se trabaja sobre el prototipo FOX. Se trata de un coche montado sobre una variante del chasis del coche de competición Silver Car S2. A este coche se le han montado cuatro motores en rueda, con una potencia nominal de 7 kW cada uno, así como sus respectivos convertidores/controladores. Estos motores están alimentados por seis módulos de baterías LiFeMnPO4, de 12.8V y 100Ah cada una. En un futuro se le añadirán otras dos fuentes de energía: una pila de combustible y un módulo de supercondensadores.
El vehículo incluye una serie de sensores con dos objetivos principales: medir la posición de los dispositivos del conductor y conocer la posición y el comportamiento del vehículo. Para el primero se utilizan tres potenciómetros, que miden el recorrido de los pedales de aceleración y freno, y el ángulo del volante. Para el segundo objetivo se utilizan cuatro potenciómetros para medir el recorrido de las suspensiones, una Unidad de Medida Inercial IMU para medir las aceleraciones (lineales y angulares) en los tres ejes, y las velocidades angulares, también en los tres ejes y un GPS, incluido en la IMU (localización geográfica y velocidad). A esto hay que añadir los datos de los sensores internos de las baterías (SOC, tensión, intensidad) y de los motores y convertidores (intensidad, velocidad angular del motor).
Modelo CAD Se ha hecho un modelo del vehículo en CAD, utilizando el software \textitSolidworks. Este diseño está basado en el modelo del chasis, suministrado por el fabricante. A él se le han añadido la suspensión, los motores, las ruedas, la dirección, los dispositivos de potencia y los modelos de dos ocupantes. Se han hecho dos variantes para la suspensión delantera y dirección: uno más sencillo en el que el punto de contacto entre la rueda y el suelo está siempre en el centro de la banda de rodadura del neumático, y otro más complejo, que se ajusta más al sistema real. Este modelo CAD será portado a dos \textitsoftwares se simulación: \textitADAMS/ADAMS Car y \textitMatlab Simulink-Simmechanics, que usarán las variantes compleja y sencilla de la dirección respectivamente.
Modelo en Simulink-Simmechanics Mediante la herramienta Simmechanics-link, el modelo del coche en Solidworks fue portado a Simulink-Simmechanics. En este quedan definidos todos los sólidos (bodies) y las uniones entre los mismos (joints).
Sin embargo, por su complejidad, la interacción entre los neumáticos y el asfalto no se modela directamente, por lo que es necesario crear un subsistema que calcule estas fuerzas. Para ello se ha utilizado el modelo de Burckhardt, que relaciona el deslizamiento longitudinal y lateral con la fuerza entre el suelo y el neumático. De esta forma, el modelo calcula en cada iteración la aceleración de la rueda a través del par, y con esta el movimiento. El deslizamiento se calcula a partir de la relación entre le velocidad del neumático y la de la propia rueda y del ángulo entre los vectores del eje longitudinal de la rueda y el de la velocidad de la misma. A partir de los deslizamientos calcula las fuerzas.
Para el sistema de dirección se ha supuesto un modelo de Ackermann basado en las medidas del sistema real.
El modelo ha sido validado comparando la trayectoria del sistema simulado con trayectorias reales en las mismas condiciones, tanto con tracción total como con propulsión.
Controladores de distribución de par Al ser los cuatro motores del coche mecánicamente independientes, el controlador podrá mandar cualquier referencia de par a cualquier motor: es decir, el control de par puede ser cualquiera, y ha de hacerse de forma electrónica. En este apartado se proponen dos controladores, uno a bucle abierto y otro a bucle cerrado.
El controlador a bucle abierto simplemente manda la misma referencia de par a cada motor, que será proporcional a la consigna del conductor (posición del acelerador). Por contra, el controlador a bucle cerrado toma la consigna del conductor como la media entre los pares de las cuatro ruedas, repartiendo el par de forma que el comportamiento del coche se acerque lo máximo posible al deseado por el conductor, sin subviraje ni sobreviraje.
Para ello calcula, a partir de la velocidad del coche y del ángulo del volante el \textityaw rate (derivada del ángulo de guiñada) deseado. Este yaw rate se controla mediante un PI, cuyo valor da la proporción que se aplicará entre los pares de los ejes delantero y trasero y los pares de las ruedas exteriores e interiores para cada eje.
Se calculó para ambos controladores el gradiente de subviraje (magnitud que cuantifica el subviraje/sobreviraje de un vehículo), resultando tres órdenes e magnitud menor en el caso del controlador PI. A su vez, este controlador demostró también un mejor comportamiento ante una perturbación (paso de suelo seco a mojado).
Conclusiones En esta tesis se ha tratado sobre vehículos híbridos en tres niveles distintos: desarrollo, modelado y control. Así, el autor participó en el diseño y construcción de los tres coches híbridos con pila de combustible tratados en la tesis, lo que incluye elección de componentes, diseño software e integración.
Respecto al modelado, en esta tesis se presentan modelos relativos a tres aspectos de los vehículos híbridos: sistema de potencia, mecánico y térmico. Los dos últimos, además, se validaron con datos reales.
Por último se diseñaron dos tipos de controladores para los sistemas mencionados: control del comportamiento del coche y gestor de potencia, donde se probaron varias estrategias de control (heurística, linear, MPC...).
