Captulo 1 Estado del arte.

Introduccin

Debido al incremento en el costo y a la escasez del petrleo, en los ltimos aos se han estado buscando distintas alternativas para su sustitucin. En el entorno del transporte, se trata de cambiarlo por algn combustible que provenga de energas renovables o de reducir su consumo para que la operacin sea ms econmica. Lo anterior es el motivo principal para el desarrollo de las tecnologas de los vehculos hbridos en este caso las pruebas se montan en un banco de pruebas.En los vehculos convencionales, que solo tienen un motor de combustin interna (MCI), al variar la velocidad, el motor se mueve constantemente de su rango de operacin, por lo que su eficiencia no se puede mantener alta. Adems, los incrementos de carga repentinos producen un aumento del consumo de combustible y las emisiones. En los vehculos hbridos debido a la fuente alternativa de potencia, es posible controlar el rango de operacin del motor de combustin, para mantenerlo en una regin de alta eficiencia, que el consumo de combustible sea menor y disminuyan las emisiones. Adems, en el vehculo hbrido es posible aprovechar la energa del frenado, almacenndola en la batera cuando la mquina elctrica acta como generador. Esta energa se pierde en un vehculo convencional.La contaminacin del aire hoy en da es un problema grave, por lo que se han implementado algunas estrategias para reducirla. Para esto existen acuerdos ambientales aceptados en casi todo el mundo.En el caso de la Unin Europea (UE) la directiva 70/220/CEE del 20 de marzo de 1970 establece normas sobre medidas contra la contaminacin atmosfrica causada por los gases de escape de los vehculos de motor de gasolina y diesel, adems especifica la cantidad mxima de emisin de contaminantes. En Estados Unidos las normas para regular la cantidad de emisiones que un vehculo puede generar son establecidas por cada estado, por ejemplo, el estado de California cuenta con un programa de revisin vehicular.En Mxico el organismo encargado de las normas para emisin de contaminantes es la Secretara de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) que establece las normas oficiales mexicanas vigentes ordenadas por materia de contaminacin atmosfrica para las emisiones de fuentes mviles, de (SEMARNAT (2010)) se presentan las normas en apndice A.

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Antecedentes de los vehculos elctricos -hbridos (VEH)

Los vehculos hbridos elctricos han evolucionado al paso del tiempo, como se muestra en (Guzzella y Sciarretta (2007)) y (Hybrid-vehicle.org (2005)). El primer automvil hbrido fue diseado por el Dr. Ferdinand Porsche en 1899 para la compaa Jacob Lohner & Co. El vehculo tena configuracin serie con motores elctricos en las llantas, un motor de combustin interna y un generador que proporcionaba la electricidad a los motores, con lo que se evitaban los componentes mecnicos de ejes, transmisin, engranes, embrague, etc., lo que haca al vehculo ms simple y evitaba prdidas por friccin entre los componentes mecnicos lo que aumentaba la eficiencia.Sin embargo, no sigui el desarrollo del hbrido debido a que la gasolina se volvi ms barata y los motores elctricos ms caros. En 1921 la tecnologa se enfoc sobre los motores de combustin y hasta 1960-1970 reaparecen los vehculos hbridos. En transporte, se ha empleado la tecnologa de los hbridos en transportes de alta potencia; tren diesel- elctrico, submarinos diesel- elctrico, etc. A pesar de que desde hace mucho se tenan ideas sobre estas tecnologas, se ha renovado el inters en los vehculos hbridos a partir de 1990, medido este por el nmero de publicaciones.La produccin de vehculos elctrico hbridos en el transporte particular a lo largo del tiempo se ha dado como se muestra en el apndice B, de (Union of Concerned Scientists (2007)).

Arquitecturas de propulsin de VEHPropulsin hbrida serie

Figura 1.1: Configuracin Serie.

La propulsin hbrida serie fue desarrollada al aadir un pequeo conjunto motor de combustin-generador a un vehculo elctrico puro (VE) (figura 1.1) para compensar la descarga de energa en las bateras; sus ventajas son:

1. Desacoplamiento mecnico entre el motor de combustin y las ruedas motrices lo que permite al motor de combustin que opere en su regin ptima (esta se encuentra en la curva caracterstica de par contra velocidad del MCI (figura 4.1)).

2. La nica fuente de par a las ruedas motrices es un motor elctrico que simplifica el control de velocidad (similar al control por el pedal de acelerador).

3. El control casi ideal de par-velocidad del motor elctrico hace innecesaria la transmisin con multiengranes.

4. Estructura simple, control de propulsin y manipulacin fcil (el motor de combustin/generador, bateras y el motor de traccin se conectan slo por los cables elctricos).

Sin embargo, la propulsin hbrida serie tiene algunas desventajas:

1. Doble conversin de la energa (de mecnica del motor de combustin a elctrica a travs del generador y luego a mecnica de nuevo a travs del motor de traccin) que causa ms prdidas de energa.

2. Se necesitan dos mquinas elctricas (generador y motor).

3. Se requiere un motor elctrico grande ya que es la nica fuente de par de las ruedas motrices.

Aprovechando su estructura y el control sencillo, la propulsin hbrida serie se utiliza en los vehculos pesados, como vehculos comerciales, vehculos militares, autobuses, e incluso locomotoras. La razn principal es que los vehculos grandes tienen suficiente espacio para el voluminoso sistema de motor y generador.

Propulsin hbrida paralela

Figura 1.2: Configuracin Paralela.

En esta configuracin el motor de combustin y el motor elctrico pueden suministrar directamente su par a las ruedas motrices a travs de un acoplamiento mecnico. Este acoplamiento mecnico puede ser una caja de cambios, una unidad de poleas y bandas, una unidad de engranes y cadenas, un sistema de engranes planetarios, o incluso un solo eje (figura 1.2).Las ventajas de la propulsin hbrida en paralelo son:

1. El motor de combustin y un motor elctrico pueden suministrar directamente el par a las ruedas motrices y no se produce la doble conversin de energa, por lo que la prdida de energa es menor.2. Es ms compacto, no necesita el generador y motor de traccin, slo una mquina elctrica que puede hacer ambas funciones.Desventajas:

1. La conexin mecnica entre el motor de combustin y las ruedas motrices hace que los puntos de funcionamiento del motor no estn siempre en la regin de velocidad ptima.2. La estructura y el control son ms complejos.

Debido a sus caractersticas compactas, la configuracin paralela es ms utilizada en vehcu- los pequeos.

Propulsin hbrida serie-paralelaEsta configuracin desacopla la velocidad del motor de combustin de la velocidad de las llantas. Combina las ventajas de las propulsiones serie y paralelo, sin embargo, necesita una mquina elctrica adicional y un acoplamiento mecnico, lo que hace el control de la propulsin ms complicado. Otra alternativa de propulsin serie-paralelo es una mquina elctrica de estator-flotante (llamada transmotor). En esta configuracin, el estator est conectado al motor de combustin y el rotor est conectado al tren de propulsin de las llantas a travs de engranes. La velocidad del motor y la velocidad relativa entre el estator y el rotor puede ser controlada para ajustar la velocidad del motor de combustin a cualquier velocidad del vehculo dada. Esta propulsin tiene caractersticas de funcionamiento similares a las de propulsin por engranaje planetario, pero es menos compleja.

Figura 1.3: Configuracin Serie-Paralela.

El motor de combustin, la unidad de engranaje planetario y el generador-motor constituyen las rutas de flujo de potencia. Cuando la velocidad del generador-motor es negativa (direccin opuesta al par), el generador-motor opera en modo de generacin. La potencia del motor de combustin se divide en dos partes: una se transfiere al tren motriz y la otra al generador. Cuando la velocidad del generador es positiva, el generador-motor funciona en

modo motor y aade su potencia a las ruedas motrices. De esta forma, la velocidad del motor se puede ajustar a su regin ptima mediante el control de velocidad del generador-motor. El generador-motor se puede quitar de la propulsin, bloqueando el estator y rotor del generador-motor y des energizndolo. De esta manera, la unidad de engranaje planetario se convierte en una simple caja de cambios con una relacin de transmisin fija. Otra fuente de potencia (par) es el motor de traccin ME2 (figura 1.3), que aade par directamente a las ruedas (Ehsani, Gao, y Miller (2007)).

Control de propulsin de vehculos hbridosLos vehculos elctricos hbridos pueden tener distinta arquitectura dependiendo de sus prestaciones y del fabricante, por ello se tienen distintos controladores para los componentes del sistema y para la administracin de potencia.En (Miller (2006)) se presentan algunas arquitecturas serie, paralelo o serie-paralelo usa- das por Toyota, Ford, GM, Renault. El componente principal es la Transmisin Variable Continua electrnica (e-CVT) que no necesita embrague, por lo que no hay interrupcin de par ni cambios de velocidad fuertes. Se muestran dos tipos de distribucin de potencia por e-CVT. En el primer tipo se considera que la potencia mecnica del MCI se puede entregar a las llantas por dos medios. El primer medio es mecnico y usa un sistema de engranes planetarios, el otro medio es elctrico y emplea dos mquinas elctricas, funcionando como generador y como motor, enlazados elctricamente. El segundo tipo de distribucin de potencia se distingue por tener dos dispositivos mecnicos de divisin de potencia, uno a la entrada y otro a la salida de la transmisin. Tambin se describe la dinmica de los sistemas de Toyota, Ford, algunas variantes de la forma de distribuir la potencia en GM, Renault y las dinmicas existentes por sus componentes.Las ventajas y desventajas de las arquitecturas de propulsin que se han descrito son analizadas en (Ehsani, Gao, y Miller (2007)), donde se revisa y comparan los motores elctricos que pueden ser empleados en estas arquitecturas. Sealan en especial la importancia para el caso de la propulsin serie donde el motor elctrico es la nica fuente de par mecnico en la traccin. Tambin se analizan los subsistemas de almacenamiento de energa, como batera y supercapacitor, se hacen algunas comparaciones dependiendo de los tipos y capacidades. Existen distintos controladores para la distribucin de potencia en los VEH, como se muestra en (Pisu y Rizzoni (2007)), donde se manejan varias estrategias de control que pretenden encontrar la secuencia ptima de la distribucin de potencia que, en cada instante de tiempo, minimiza el consumo de combustible con respecto al manejo del operador. Los objetivos de estas tcnicas son: minimizar el consumo de combustible, reducir las emisiones contaminantes, mantener el estado de carga de la batera y el buen funcionamiento del sistema. Los autores realizan la descripcin del motor de combustin y del elctrico mediante eficiencias y potencias, para obtener una funcin de costo que depende de estas variables. La primera estrategia de manejo de energa es un control basado en reglas, que depende de ciertos estados del sistema para aplicar un control especfico. La siguiente estrategia del manejo de energa es la A-ECMS; una estrategia adaptable de minimizacin del consumo de combustible, que se basa en minimizar la funcin de costo, para determinar la distribucinde par ptimo entre el MCI y el motor elctrico. Otra estrategia de manejo de energa es el control H; mediante herramientas de Matlab se resuelve un problema de minimizacin y se encuentra un controlador robusto subptimo que tiene alta complejidad computacional, respecto a la programacin de la estrategia.

En (Kessels, Koot, van den Bosch, y Kok (2008)) se presenta una estrategia de manejo de energa para optimizar los flujos de potencia interna y satisfacer las demandas del operador. La estrategia imita la solucin ptima sin utilizar informacin de la demanda de potencia a futuro y se enfoca en las caractersticas del vehculo. Esta metodologa se concentra en la explicacin fsica (reglas heursticas) acerca de cundo producir, consumir almacenar energa elctrica. Los principales beneficios de la economa del combustible se obtienen al detener el motor de combustin y del frenado regenerativo. Se aplica la estrategia a las tres arquitecturas; serie, paralelo y serie-paralelo, modelando los componentes del sistema mediante potencia y eficiencia. Para la decisin de la estrategia, es necesario el mapa de combustible del MCI que est en funcin de la potencia del motor. La estrategia pretende la solucin de un problema de optimizacin a partir de una funcin de costo y debe satisfacer una restriccin del nivel de energa en la batera.

Para un autobs hbrido en configuracin serie-paralelo, en (Xiong, Zhang, y Yin (2009)) se propone un control por lgica difusa para el manejo de energa. Este acta dependiendo de la intencin del conductor y del estado del vehculo mediante tres mdulos: clculo del par requerido que se debe enviar al tren de potencia, decisin del modo de operacin y distribucin del par ptimo entre las fuentes de potencia. Los modos serie o paralelo se conmutan de acuerdo a la velocidad del vehculo y posicin del acelerador y freno. El controlador por lgica difusa emplea dos mdulos: uno es de decisin (el actuador es la transmisin) y otro el manejo de la energa (mediante el estado de carga de la batera y la velocidad del MCI), los objetivos que se persiguen son: satisfacer las demandas del operador, ahorro de combustible y evitar el agotamiento de la batera.

En (Tzeng, Huang, y Chen (2005)) se aplica un control por lgica difusa a un vehculo hbrido de configuracin paralelo con una transmisin variable continua de poleas y bandas. El control se hace mediante el par demandado, la velocidad rotacional y el estado de carga como entradas; como salidas: el modo de la mquina elctrica, el modo del MCI y el modo MCI y ME.

En (Chau y Chan (2007)) se muestran algunos detalles importantes del sistema arrancador alternador integrado (ISG) y de los sistemas con propulsin mediante la (e-CVT). Se discute el funcionamiento, aplicacin, ventajas y desventajas con respecto a otros componentes similares con la misma funcin en los vehculos hbridos.

En (Xiong y Yin (2009)) se tiene una aplicacin a un autobs de trnsito con motor de combustin diesel, un arrancador alternador integrado (ISG) y otro motor elctrico para obtener la configuracin serie-paralelo, segn sean las condiciones de operacin. Se realiza el diseo de cada componente segn las necesidades a cumplir. En este caso la estrategia de control es mediante reglas.

MotivacinEn la bibliografa revisada la mayora de las estrategias para la distribucin de potencia en vehculos hbridos estn basadas en reglas, lo que ocasiona la conmutacin brusca entre las fuentes de potencia. Lo anterior motiva a proponer una estrategia para distribuir el flujo de potencia de una forma ms suave y continua.Adems, en la literatura no se incorporan las restricciones cinemticas y dinmicas impuestas por los dispositivos que acoplan las fuentes de potencia, por lo que surge tambin la necesidad de incorporar estas restricciones en el diseo de la estrategia de distribucin de potencia.

Objetivo

Estudiar el comportamiento dinmico de un sistema hibrido compuesto de un motor de combustin interna y un motor elctrico.

Contribuciones

Organizacin y MetodologaLa metodologa que se sigui en este trabajo consisti en revisar los antecedentes del problema

En el primer captulo se mencionan las razones que llevaron a emprender la investi- gacin. Se describen someramente los vehculos elctricos hbridos y sus principales configuraciones. Se revisan las principales estrategias de control presentadas en la li- teratura, para enunciar despus el objetivo principal de la investigacin. Se listan las contribuciones del trabajo realizado y se describen la organizacin y metodologa bajo la cual fue realizado.

En el segundo captulo se describen los modelos matemticos de los principales subsis- temas en el vehculo elctrico hbrido: motor de combustin interna, banco de bateras como sistema de almacenamiento de energa, mquina elctrica (motor de induccin) que puede funcionar como motor o generador. Tambin se modela el sistema de en- granes planetarios para la interconexin de las fuentes de potencia con la traccin, el embrague para acoplar y desacoplar el motor de combustin, el freno para los engra- nes y el vehculo como una masa sometida a la accin de fuerzas. En la parte final se describen los distintos modos de propulsin.

En el tercer captulo se describe el control del MCI y de la mquina elctrica, respec- tivamente. Para ello se recurre a algortimos de control disponibles en la literatura. Se describen los ciclos de manejo estandarizado para autobuses urbanos en la ciudad de Mxico, que se usarn como referencia a seguir por el vehculo elctrico hbrido. Aqu se disea la estrategia empleada para la distribucin del flujo de potencia demandada para el movimiento del vehculo, entre la mquina elctrica y el MCI.

En el cuarto captulo se muestran los resultados de las simulaciones de las estrategia de control de flujo de potencia. Para ello se recurre a los modelos matemticos de los subsistemas y se aplica la estrategia de control en el seguimiento de tres ciclos de manejo estandarizado para autobuses urbanos. Se presentan grficos que incluyen los errores de seguimiento en velocidad, el estado de carga de las bateras y el consumo de combustible.

En el captulo cinco se presentan las conclusiones del trabajo y se mencionan posibles lneas para trabajo futuro.

Se incluyen anexos con las normas mexicanas para la emisin de contaminantes para fuentes mviles, una revisin de la produccin en serie de vehculos hbridos y los parmetros empleados en las simulaciones.