SISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN VEHÍCULO HÍBRIDO ELÉCTRICO. TESISTA: ING. MANUEL ALEJANDRO CANSECO RAMÍREZ.

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1 S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO cenidet SISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN VEHÍCULO HÍBRIDO ELÉCTRICO. TESISTA: ING. MANUEL ALEJANDRO CANSECO RAMÍREZ. DIRECTOR DE TESIS: Dra. PATRICIA CARATOZZOLO MARTELLITI CO-DIRECTOR: Dr. ABRAHAM CLAUDIO. CUERNAVACA, MORELOS NOVIEMBRE I

2 RESUMEN. Debido a la contaminación en las grandes ciudades causada por las emisiones contaminantes que emanan de un vehículo, es necesario el desarrollo de vehículos que no contamine tanto. Por lo que se crearon vehículos híbridos que contienen dos sistemas de energía a bordo del vehículo, un motor de combustión interna y un paquete de baterías. Los vehículos híbridos eléctricos, HEV, ofrecen la mejor posibilidad al usar nuevas fuetes de energía en el transporte urbano, reduciendo el impacto en la contaminación atmosférica y también logrando una reducción en el uso de combustible fósil. El mayor desafió para el diseño de HEV es el manejo de diversas fuentes de energía el cual es altamente dependiente de la configuración del sistema de propulsión que se utiliza. Se realizan esfuerzos para mejorar el subsistema eléctrico del HEV como es el motor eléctrico, los convertidores de potencia, controladores eléctricos, manejadores de energía y baterías. En esta tesis se utiliza el sistema de propulsión de un HEV tipo serie, en este sistema el motor de combustión interna proporciona la potencia directamente al motor eléctrico o puede cargar las baterías. Al motor eléctrico se le aplica un control no lineal para regular la velocidad y el par según las necesidades del conductor. Entre los diferentes esquemas de control para el MI, el control vectorial es una de las soluciones más eficientes para el sistema de propulsión eléctrica ya que los controladores de un HEV necesitan una rápida respuesta transitoria del par. Es necesario el control del par del motor en todo momento lo cual implica trabajar en cualquier lugar de los cuatro cuadrantes del plano de par velocidad (incluso la recuperación de energía en el frenado), la técnica de control vectorial ofrece un rango de velocidad de tres o cuatro veces la velocidad nominal, con la ventaja de que hay varios tipos de optimización del control vectorial que pueden ser aplicados al MI, estas optimizaciones tienen la capacidad de controlar el par mediante la optimización de corriente de estator, con esta optimización se minimizan las perdidas en condiciones de carga.

3 ABSTRACT. Due to the contamination in the big cities caused by the emissions polluting that emanate of a vehicle, is necessary the development of vehicles that doesn't contaminate so much. For which hybrid vehicles that contain two systems of energy aboard the vehicle, an internal combustion engine and a package of batteries were created. Hybrid Electric Vehicles, HEV, are offering the best possibility for the use of new energy sources in urban transportation, reducing the overall impact on air pollution while obtaining minimum fuel consumption. The major challenges for the HEV design are managing multiple energy sources, which is highly dependent on the drive-train configuration and other significant components. Efforts are being made to improve the HEV electrical subsystems, such as electric motors, power converters, electronic controllers, energy management units, batteries. In this thesis the system of propulsion of a HEV series type is used, in this system the combustion internal motor provides the power directly to the electric motor or it can load the batteries. To the electric motor it is applied a non lineal control to regulate the speed and the torque according to the driver's necessities. Among the different control schemes for the IM, vector control seems one of the most efficient solutions for electrical traction because propulsion drive in an HEV needs fast transient response of torque at standstill. It is necessary to control the motor torque at every moment, which implies a working point in each of the four quadrants of the torque-speed plane (even energy recovering while braking). Vector control techniques may offer wide speed range up to three to four times of base speed, with the advantage that there are several efficiency optimizing schemes of vector controlled IM drives that are able to control the torque component current and field component current hence to minimize the total losses at any loading condition. III

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5 ÍNDICE. ÍNDICE...I SIMBOLOGÍA...IV ACRÓNIMOS...VI ÍNDICE DE FIGURAS..... VII CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ESTADO DEL ARTE JUSTIFICACIÓN ALCANCE ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO DE TESIS CAPÍTULO 2. MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN DEL VEHÍCULO HÍBRIDO ELÉCTRICO SERIE INTRODUCCIÓN MODELO DE UN SISTEMA DE PROPULSIÓN TIPO SERIE MOTOR DE INDUCCIÓN JAULA DE ARDILLA MODELO MATEMÁTICO DEL MIJA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO DEL MIJA EN MATLAB/SIMULINK INVERSOR TRIFÁSICO MODULACIÓN SENOIDAL DEL ANCHO DE PULSO IMPLEMENTACIÓN DEL INVERSOR EN MATLAB/SIMULINK UNIÓN DEL MOTOR E INVERSOR CARGADOR DE BATERÍAS UNIDAD DE PROCESAMIENTO DE ENERGÍA UNIDAD DE MANEJO DE LA BATERÍA CARGADOR PARA LA INTERFASE DEL VEHÍCULO DISEÑO DEL CONVERTIDOR BUCK DISEÑO DEL CONVERTIDOR BOOST BATERÍA UNIÓN DEL CARGADOR DE BATERÍA Y LA BATERÍA CONVERTIDOR BUCK Y BATERÍA (PRUEBA DE CARGA) CONVERTIDOR BOOST Y BATERÍA (CASO DE DESCARGA) CONCLUSIONES I

6 CAPÍTULO 3. CONTROL DE VELOCIDAD DEL VEHICULO HÍBRIDO INTRODUCCIÓN CONTROL VECTORIAL BLOQUE DEL MODELO DEL FLUJO IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL EN MATLAB/SIMULINK IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN EN MATLAB/SIMULINK ESQUEMA DEL SISTEMA COMPLETO DE PROPULSIÓN DE UN VEHÍCULO HÍBRIDO CONDICIONES DE SIMULACIÓN ESCENARIO ESCENARIO ESCENARIO OPTIMIZACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL CONCLUSIONES CAPÍTULO 4. VALIDACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN MATLAB CON VIRTUAL TEST BED (VTB) INTRODUCCIÓN SISTEMA DE PROPULSIÓN DEL VEHÍCULO EN VTB COMPARACIÓN DEL VTB Y MATLAB/SIMULINK CON EL CONTROL VECTORIAL CONCLUSIONES CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS CONCLUSIONES APORTACIÓN PUBLICACIONES TRABAJOS FUTUROS ANEXO 1. FUNCIÓN S A.1. INTRODUCCIÓN... 74

7 A.2. IMPLEMENTACION DE LA FUNCIÓN S A.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LA FUNCIÓN S EN ARCHIVO.M A.2.2 DEFINICION DE LAS CARACTERISTICAS DE LA FUNCIÓN S A.3. EJEMPLO ANEXO 2. CODIGOS.M DE LAS FUNCIONES S PRESENTADAS EN LA TESIS MOTOR DE INDUCCIÓN INVERSOR TRIFÁSICO MOTOR INVERSOR BUCK BATERÍA BOOST BATERÍA CONTROL VECTORIAL OPTIMIZACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL BIBLIOGRAFÍA III

8 SIMBOLOGÍA. abc: sistema de Variables originales. Act: Estado del interruptor, 0 o 1. App: Amper pico a pico. B : Coeficiente de fricción viscosa, (N m s/rad). C: Capacidad de la batería. C 10: Capacidad de carga de la batería en régimen de corriente a 10hs. C bk : Capacitor del filtro de salida del convertidor Buck. C bt : Capacitor del filtro de salida del convertidor Boost. dq0 : Sistema de variables resultantes. EDC: Estado de carga de la batería. f: Representa cualquier sistema trifásico de variables eléctricas (Voltajes, corrientes, enlaces de flujo, etc.) desfasadas 120 o eléctricos entre sí. g: Longitud uniforme del entrehierro. i : Vector de corrientes de estator y rotor. I (C10) : Corriente de carga en el régimen C 10. I: Corriente de la batería. i abcr : Vector de corrientes de fase del rotor. i abcs : Vector de corrientes de fase del estator. i ar, i br, i cr : Corrientes en las fases a, b, c del rotor. i as, i bs, i cs : Corrientes en las fases a, b, c del estator. Ico: Corriente de referencia en el lazo de control del convertidor Buck. i d, i q : Corrientes en el MR qd (2Ø) del rotor. I L : Corriente en el inductor. i mr : Corriente de rotor magnetizante. i mrref : Corriente de referencia magnetizante. i ms : Corriente magnetizante en el marco de referencia fija al rotor. i qr, i dr : Corrientes de estator en el marco de referencia fijo al rotor. is: Corriente de estator. i sdref, i sdref: Corriente de referencia fija al ángulo del rotor. i sxref: Corriente de referencia del flujo de estator. i syref : Corriente de referencia de estator. J : Coeficiente inercial del rotor y de la carga, (kg m 2 ). K : Matriz de transformación de variables 3φ a variables de 2φ. k: Ciclo de trabajo de los convertidores. K -1 : Matriz de transformación inversa. K d1, K d2, K q1, K q2, K q3, K q4 : Ganancias de los controladores, constantes. K e : Matriz de transformación para el MR giratorio síncrono. K r : Matriz de transformación para el MR fijo al rotor. K s : Matriz de transformación para el MR estacionario. L : Matriz de inductancias. l: Longitud axial del entrehierro. L bk : Inductor del filtro de salida del convertidor Buck. L bt : Inductor del filtro de salida del convertidor Boost. L ls, L lr : Inductancias de dispersión de los devanados de estator y rotor respectivamente. L r : Matriz de inductancias propias de rotor. L s : Matriz de inductancias propias de estator.

9 L sm, L rm : Inductancias mutuas entre los devanados de estator y rotor respectivamente. L sr : Matriz de inductancias mutuas estator-rotor. L sr : Valor pico de las inductancias mutuas estator-rotor. L ss, L rr : Autoinductancias o inductancias propias de los devanados de estator y rotor M : Inductancia mutua entre los devanados de estator y rotor. n p : Número de pares de polos en el MI. N r : Número de vueltas en los devanados de rotor. N s : Número de vueltas en los devanados de estator. p: Operador de derivación, d/dt. Qin: Carga suministrada en el tiempo de interés Q in = I*t. R : Matriz diagonal de resistencias de estator y rotor. r: Radio a la mitad del entrehierro. R bk : Resistencia de carga del convertidor Buck. R bt : Resistencia de carga del convertidor Boost. R r : Resistencia de los devanados de rotor. R r : Resistencia de los devanados de rotor. R s : Resistencia de los devanados de estator. R s : Resistencia de los devanados de estator. Top: Par electromagnético optimizado. u d, u q : Voltajes de entrada al estator del modelo dq. u d, u q, i d, i q, ψ d, ψ q : Voltajes, corrientes y flujos del modelo dq del motor de inducción. v: Vector de voltajes de estator y rotor. V ar, V br, V cr : Voltajes en las fases a, b, c del rotor. V as, V bs, V cs : Voltajes en las fases a, b, c del estator. V c : Tensión de la batería durante la carga. V C : Voltaje del capacitor. Vco: Voltaje de referencia en el lazo de control del convertidor Boost. v d, v q : Variables auxiliares en función de voltajes y corrientes de estator, flujos y velocidad del rotor. V d : Tensión de descarga. V fc : Tensión final de carga. V g : Tensión de la batería para el comienzo de la gasificación. Vpp: Voltaje pico a pico. V qs, V ds : Voltajes de estator en el marco de referencia fijo al rotor. Vs : Voltaje de alimentación. sl : Ángulo de deslizamiento. r : Vector de flujo de rotor. rref : Velocidad de referencia en el esquema de control vectorial. sl : Velocidad de deslizamiento. λ : Enlace de flujo, (sistemas lineales). λ abcs : Vector de enlaces de flujo de estator. λ abcr : Vector de enlaces de flujo de rotor. θ : Desplazamiento angular de las nuevas variables del MR arbitrario. δ : Desplazamiento angular eléctrico del nuevo MR. ξ : Variable auxiliar de integración. ζ : Variable auxiliar que representa la suma de θ + θ c. ω : Velocidad angular del MR arbitrario. τ: Constante de tiempo generalizada. V

10 θ c : Desplazamiento angular del conjunto de variables originales. ω c : Velocidad angular del conjunto de variables originales. η c : Rendimiento de carga. τ e : Par electromagnético, (N m). ω e : Velocidad angular del MR giratorio síncrono. τ L : Par de carga, (N m). θ r : Desplazamiento angular eléctrico del rotor, (rad). ρ r : Posición angular del flujo deseado del rotor. ω r : Velocidad angular del rotor, (rad/seg). τ ref : Par electromagnético de referencia. ω ref : Velocidad angular de referencia. T: Variación de temperatura tomando como referencia 25 C. ρ : Ángulo del flujo del rotor. Ψ d : Enlaces de flujo del rotor. λ as, λbs, λcs : Enlaces de flujo en las fases a, b, c del estator. λ ar, λbr, λcr : Enlaces de flujo en las fases a, b, c del rotor. λ : Flujo total en el marco de referencia fijo al rotor. r λ, λ : Flujos de estator en el marco de referencia fijo al rotor. qr dr µ 0 : Permeabilidad en el entrehierro. 2 M σ : Variable auxiliar del modelo de la máquina de inducción 1 L L s r ACRÓNIMOS. EDC EV FOC HEV MCI MI MIJA MR MSE PI PWM SPWM VTB Estado de Carga de la Batería. Vehículo Eléctrico. Control de Campo Orientado. Vehículo Híbrido Eléctrico. Motor de Combustión Interna. Máquina de Inducción. Máquina de Inducción de Jaula de Ardilla. Marco de Referencia. Máquina Sincronía sin Escobillas. Controlador Proporcional Integral. Modulación por Ancho de Pulso. Modulación Senoidal por Ancho de Pulso. Virtual Test Bed.

11 ÍNDICE DE FIGURAS. Pag. Figura Partes del sistema de propulsión de un vehículo híbrido eléctrico serie. 3 Figura Diagrama esquemático del motor de inducción trifásico. 5 Figura Diagrama eléctrico de los devanados de estator y rotor del motor de inducción trifásico. 5 Figura 2.4 Implementación del MIJA mediante la función S de Matlab/Simulink. 12 Figura 2.5. Corrientes bifásicas en el MR fijo al rotor, a) Corrientes de los devanados de rotor, b) corrientes de los devanados de estator. 12 Figura 2.6. a) Velocidad del rotor, b) Par electromagnético generado. 13 Figura 2.7. a) Voltajes de alimentación bifásicos, b) Gráficas de Par Vs Velocidad. 13 Figura Inversor trifásico. 14 Figura Circuitos equivalentes para una carga resistiva conectada en estrella. 14 Figura Modulación senoidal de ancho de pulso para un inversor trifásico. a) Voltaje de referencia y voltaje de la portadora, b),c),d) Son los voltajes b) de disparo de compuertas, e) Voltaje de línea. 16 Figura Implementación del Inversor trifásico en Matlab/Simulink mediante la función S. 17 Figura a) Portadoras triangular y señal de referencia senoidal utilizadas para producir los pulsos de disparo, b) Voltajes y corrientes en cada fase del inversor trifásico con una carga RL aplicada. 17 Figura Diagrama a bloques del motor inversor. 18 Figura Implementación en Matlab/Simulink mediante la función S del motor e inversor. 19 Figura a) Voltajes de salida del inversor, b) Voltaje rms de cada línea. 19 Figura Frecuencia fundamental del voltaje a la salida del inversor y sus componentes armónicos. 20 Figura a) Par electromagnético generado, b) Velocidad del rotor. 20 Figura a) Respuesta de la máquina con un par negativo (modo generador), b) Corriente a través del rectificar de puente completo. 21 Figura Diagrama a bloques del cargador de batería. 23 Figura Diagrama a bloques del convertidor Buck y el lazo de control en modo corriente. 23 Figura Diagrama a bloques del convertidor Boost y el lazo de control en modo voltaje. 26 Figura Prueba de Carga de Batería. 29 Figura Implementación en Matlab/Simulink de la etapa de carga. 30 Figura Corriente y Voltaje a la salida del convertidor Buck. 30 Figura Estado de carga del paquete de baterías. 31 Figura Prueba de descarga de la Batería. 31 Figura Implementación en Matlab/Simulink del caso de descarga. 32 Figura Voltaje a la salida del convertidor Boost. 32 Figura Estado de carga de la batería (descarga). 33 Figura Condiciones para una correcta orientación de campo. 36 Figura Esquema del control vectorial directo. 37 Figura Diagrama a bloques del controlador por campo orientado para el MI en el marco de referencia dq. 40 Figura Implementación del sistema de propulsión en Matlab/Simulink. 42 Figura Diagrama a bloques del sistema de propulsión implementado en VII

12 Matlab/Simulink mediante la función S. 43 Figura Pruebas de regulación y seguimiento con incremento positivo en el par y en la velocidad. 43 Figura Pruebas de regulación y seguimiento con decremento en el par y en la velocidad. 44 Figura Respuesta del sistema ante variaciones en el par de carga. 45 Figura Respuesta del sistema ante variaciones del par de carga. 45 Figura Sistema de propulsión completo en los distintos modos de funcionamiento.46 Figura Diagrama a bloques del primer escenario propuesto. 48 Figura Respuesta del primer escenario propuesto. 49 Figura Modo de frenado Regenerativo. 49 Figura Variación de la velocidad al aplicar el freno. 50 Figura Par de carga electromagnético de la máquina de inducción. 50 Figura Corriente a la salida del rectificador trifásico. 51 Figura Voltaje y corriente a la salida del convertidor Buck. 51 Figura Estado de carga de la batería. 52 Figura Esquema del sistema alimentándolo por medio de la batería. 52 Figura Respuesta del tercer escenario propuesto. 53 Figura Gráfica de par contra corriente magnetizante. 55 Figura Limitación del par debido al debilitamiento de campo. 56 Figura Curva para obtener máximo par. 57 Figura Diagrama a bloques del control vectorial optimizado. 58 Figura Variación de la velocidad para verificar el comportamiento del par. 59 Figura 3.26(a).- Respuesta del par optimizado. 59 Figura 3.26(b).- Respuesta del par optimizado. 60 Figura Vehículo híbrido armado en el simulador VTB. 63 Figura Diagrama esquemático del sistema de propulsión en VTB. 64 Figura Prueba de seguimiento en VTB. 65 Figura Prueba de seguimiento en Matlab/Simulink. 65 Figura Prueba de regulación en VTB. 66 Figura Prueba de regulación en Matlab/simulink. 66 Figura Comportamiento del escenario 1 en VTB. 67 Figura Comportamiento del escenario 1 en Matlab/Simulink. 67 Figura A1.- Diagrama del convertidor buck. 75 Figura A2.- Nombrando a la función S en Simulink. 80 Figura A3.- Forma final de la función S en simulink archivo back.mdl 80 Figura A4.- Corriente y Voltaje en la resistencia de carga del convertidor. 81

13 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. Continuamente se están desarrollando nuevas tecnologías para hacer vehículos eléctricos que cumplan con la expectativa de los usuarios en cuanto a tiempo de duración de la batería y confiabilidad. Estas tecnologías se basan en el almacenamiento de la electricidad (vehículos puramente eléctricos) o en la generación de la misma a bordo del vehículo (vehículos híbridos). Actualmente los vehículos híbridos (HEVs) han aventajado a los puramente eléctricos (EVs) a pesar de no lograr cero emisiones. Esta superioridad se debe a la escasa energía específica que se obtiene de las baterías y la limitación de los EVs en cuanto a velocidad y autonomía. Los vehículos híbridos son la mejor opción en cuanto a ahorro de energía, en especial en las grandes ciudades, por sus bajas emisiones contaminantes y su elevada economía de combustible. Por lo que este trabajo está enfocado en los vehículos híbridos eléctricos. Los HEV (hybrid electric vehicle) son automóviles provistos de un motor de combustión interna (MCI) y un motor eléctrico. El motor eléctrico se usa en los momentos que el vehículo consume más combustible como en el arranque, de esta manera el vehículo híbrido no produce tantas emisiones contaminantes como un vehículo convencional. Al tener los HEVs baterías se busca tener un almacenamiento de energía en el frenado. La energía acumulada en las baterías se utilizará para alimentar el vehículo logrando una reducción en el consumo de combustible fósil. La introducción del transporte eléctrico está íntimamente relacionada con una serie de desarrollos, especialmente en el área de las baterías y de la electrónica de potencia. Los signos son positivos y se pueden esperar resultados aceptables en un plazo relativamente corto. Además, son necesarias medidas políticas para permitir y estimular la introducción de este tipo de vehículos híbridos en el país. 1

14 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN. 1.1 ESTADO DEL ARTE. La aplicación de accionadores eléctricos para su uso en el sistema de propulsión de vehículos comenzó a tomar fuerza a principios de los años 70 s y ha tenido un importante desarrollo desde entonces. En un principio, la máquina preferida para funcionar como prime mover del sistema propulsor, fue la máquina de DC. Sin embargo, a partir de los años 80, la disponibilidad de mejores y modernos semiconductores de potencia hizo que gradualmente se pasara a las máquinas de AC, tales como: el motor de inducción, el motor síncrono y el motor de reluctancia variable [Jahns, 2001]. Por otro lado, los avances en la tecnología de sistemas de propulsión han renovado el interés en los vehículos híbridos, sobre todo en el tema de propulsión eléctrica basada en energías alternas; de esta manera se busca reducir las emisiones contaminantes que emanan del vehículo [Bose, 85]. Actualmente se llevan a cabo numerosas investigaciones tendientes al mejoramiento y desarrollo de nuevos y más eficientes sistemas de propulsión para vehículos. El sistema de propulsión eléctrica es una de las partes fundamentales del diseño de un HEV y requiere conocimientos multidisciplinarios en: electrónica de potencia, motores, topologías de convertidores de potencia, dispositivos interruptores de potencia, microprocesadores, DSPs y finalmente, estrategias de control PWM (Modulación por Ancho de Pulso). El mejoramiento de un sistema de propulsión eléctrica debe lograrse optimizando dos aspectos: el topológico y el de control. En el aspecto topológico es importante reducir el número de dispositivos con el fin de disminuir costos en el vehículo. En el aspecto de control, los algoritmos deben ser diseñados e implementados para mejorar las características dinámicas y estáticas deseadas para la velocidad y el par. Otra mejora deseable tanto en lo que respecta al costo como a la confiabilidad, es la introducción de un control vectorial. Este control es uno de los más utilizados para el control de motores en la industria y se ha probado con éxito en los sistemas de propulsión de vehículos [Chan, 02]. Los principales requerimientos del accionador del motor se resumen a continuación: 1. Alta potencia instantánea y alta densidad de potencia. 2. Mayor par en bajas velocidades al inicio y en el ascenso de una pendiente, así como también una alta potencia en el arranque. 3. Un amplio intervalo de velocidad incluyendo una región de par y potencia constante. 4. Rápida respuesta de par. 5. Alta eficiencia en intervalos altos de velocidades y par. 6. Alta confiabilidad y robustez. 7. Alta eficiencia en el frenado regenerativo. 8. Costo razonable. La elección de un sistema de propulsión de un HEV depende principalmente de tres factores que son:

15 CAPÍTULO 1. SISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN HEV. 1. En el diseño del accionador donde se analizan los métodos de control y se utiliza el que satisfaga los requisitos dinámicos que sean necesarios; 2. Las restricciones del vehículo se refieren a la capacidad del vehículo (carga o transporte), velocidad, peso, etc.; 3. Las fuentes de energía, es necesario analizar la que se utilizará como fuente principal, pueden ser celdas de combustible o un motor de combustión interna y las fuentes secundarias que pueden ser baterías o supercapacitores. Los sistemas de propulsión eléctrica para vehículos terrestres generalmente caen en el intervalo de potencias entre 10 y 100 kw, dependiendo de la configuración. Hasta el momento no existe un consenso internacional sobre cuál es la máquina idónea para un sistema de tracción en un vehículo, por ejemplo la MI (máquina de inducción) es preferida en América y Europa, mientras los investigadores japoneses prefieren la MSE (máquina síncrona sin escobillas) [Chan, 02]. En lo que respecta al inversor el más utilizado, tanto si se trata de una máquina de inducción o una síncrona, es la topología de puente de seis conmutadores. Este convertidor es bidireccional para permitir el flujo de potencia desde la máquina hacia la fuente de energía (baterías) durante el frenado regenerativo. En general, las especificaciones que se requieren del motor de tracción son: alta densidad de potencia, masa y volumen pequeño, gran par, alta eficiencia, facilidad de control, hardware y software sencillos y bajo mantenimiento. En cuanto a la tecnología de los dispositivos, el semiconductor más usado en aplicaciones de propulsión eléctrica es el IGBT. Los valores nominales suelen ser 600 V, A. Debido a las condiciones ambientales desfavorables asociadas a la operación de un vehículo, estos IGBTs suelen cumplir con especificaciones muy exigentes: > 500,000 ciclos térmicos con T de 40 C y 1000 ciclos térmicos extremos desde -40 C hasta +125 C. En el caso de los HEVs, el tamaño del accionador eléctrico está minimizado debido a lo que se denomina hibridización débil : la máquina eléctrica contribuye con un par y una potencia significativos, durante los eventos de mayor carga como son aceleración y desaceleración. Una de las partes más importantes en un HEV es el control supervisor el cual busca satisfacer un gran número de objetivos dentro de un HEV, se puede nombrar cuatro objetivos principales que son [Chan, 02]: 1. Lograr economizar al máximo el combustible. 2. Minimizar las emisiones contaminantes. 3. Minimizar los costos del sistema. 4. Un buen desempeño en el manejo de los accionadores. Como último dato, en cuanto a estado de arte de los vehículos híbridos cabe mencionar que están siendo utilizados en muchas ciudades y actualmente han entrando al comercio mexicano algunos vehículos como: la camioneta Eco Sport de Ford, el Honda Insight y el Toyota Prius ([Zubizarreta, 99]). 3

16 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN. 1.2 JUSTIFICACIÓN. Debido a la contaminación en las grandes ciudades causada por las emisiones contaminantes que emanan de un vehículo, es necesario el desarrollo de vehículos que no contamine tanto. Por lo que se crearon vehículos híbridos que contienen dos sistemas de energía a bordo del vehículo, un motor de combustión interna y un paquete de baterías. Los HEV al funcionar con la fuente secundaría (baterías), reducen las emisiones contaminantes y utilizan menos el combustible focil. Por estas ventajas es necesario investigar el comportamiento de estos vehículos y las partes que lo conforman. En este trabajo se busca analizar el sistema de propulsión creando una base en la investigación sobre el tema de vehículos. Los resultados que se obtengan ayudaran en la comprensión de recuperación de energía, optimización del sistema de propulsión y simulación del control vectorial. Con los resultados obtenidos se logrará reforzar la línea de investigación de generación de energías renovables iniciada en el Cenidet, con el fin de tener un soporte teórico con esta tesis referente al control y recuperación de energía en el frenado regenerativo. Este trabajo aborda el estudio del sistema de propulsión del vehículo, el modelado de las partes que lo componen, análisis e implementación del control vectorial y una optimización para tener un mayor par al arranque del vehículo. Se elaboran programas de simulación con herramientas que han sido poco utilizadas en Cenidet como es la función S de Matlab/Simulink. Con esta herramienta se simulan todas las partes que componen el modelo del sistema de propulsión y para verificar el comportamiento se utiliza un software nuevo llamado Virtual Test Bed (VTB) utilizado en la construcción de prototipos reales. 1.3 ALCANCE. El alcance de este trabajo consiste en: 1) El modelado y simulación de las partes que componen el sistema de propulsión eléctrico de un vehículo híbrido serie. 2) Análisis y optimización del control vectorial directo aplicado al motor de inducción, como parte del sistema de propulsión del vehículo híbrido. 3) Desarrollo de programas computacionales para analizar el comportamiento del sistema de propulsión en distintos escenarios de manejo. 4) Verificación de la recuperación de energía ante el frenado regenerativo.

17 CAPÍTULO 1. SISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN HEV. 5) Comparación de los resultados obtenidos en las simulaciones de Matlab/Simulink con Virtual Test Bed. 1.4 ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO DE TESIS. En el trabajo de tesis se analiza el sistema de propulsión de un vehículo híbrido serie, y se presentan resultados obtenidos mediante paquetes computacionales para evaluar su desempeño en diferentes condiciones de operación. A continuación se muestra el contenido de la tesis por capítulos, y se explica brevemente el contenido de cada uno de ellos. En el capítulo 2 se presenta el análisis y modelado de las partes que componen el sistema de propulsión, se analiza el motor de inducción, el inversor trifásico, la unión motor inversor, análisis y diseño de los convertidores Buck y Boost y el cargador de baterías. En este capítulo 2 se presentan algunas simulaciones con la batería en los casos de carga y descarga. En el capítulo 3 se presenta el control vectorial aplicado a la máquina de inducción, se muestra el esquema que se utilizó para aplicar el control y también se realizan pruebas de regulación y seguimiento. Se muestran los escenarios donde se analiza el comportamiento del vehículo, se verifica la recuperación de energía ante el frenado regenerativo (escenario número 2) y, por último,se propone una optimización del control vectorial, la cual busca proporciona el máximo par al arranque y en momentos de inercia muy elevados del vehículo (como puede ser un rebase). En el capítulo 4, se presenta el sistema de propulsión implementado en VTB (Virtual Test Bed), este modelo se utiliza para cotejar los resultados obtenidos con el sistema realizado en Maltlab/Simulink. En el capítulo 5, se presentan las conclusiones, aportaciones y trabajos futuros propuestos. También, se presenta un anexo para aprender a utilizar la función S de Matlab/Simulink. Este anexo se puede ver como un pequeño curso para poder programar y entender las ventajas que proporciona el utilizar esta herramienta de programación. Al final de la Tesis se incluye una extensa lista de referencias bibliográficas. 5

18 CAPÍTULO 2 MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN DEL VEHÍCULO HÍBRIDO ELÉCTRICO SERIE. 2.1 INTRODUCCIÓN. Un vehículo híbrido es aquel que combina dos o más sistemas de generación basados en fuentes de energía diferentes. Uno de los sistemas es el motor de combustión interna de alta eficiencia, combinado con volantes de inercia, supercapacitores o baterías. El otro sistema es la batería eléctrica y los motores eléctricos de tracción instalados en las ruedas. En este capítulo se analizarán las partes que componen el sistema de propulsión eléctrica del vehículo, cada parte será modelada y simulada mediante la función S de Matlab/Simulink y se presentarán resultados. 2.2 MODELO DE UN SISTEMA DE PROPULSIÓN TIPO SERIE. Para entrar a este punto es necesario describir qué es un vehículo híbrido serie y cómo están formados. En los vehículos híbridos tipo serie el motor de combustión interna proporciona potencia a un generador que, según el modo de operación, puede cargar las baterías o suministrar la potencia directamente al sistema de propulsión y, por lo tanto, reducir la demanda a la batería (figura 2.1). 6

19 CAPÌTULO 2 SISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN HEV. En el HEV el sistema formado por el motor de combustión interna y el generador se usa normalmente como una unidad auxiliar de energía, (APU, Auxiliary Power Unit). Cuando se necesita mayor potencia por parte del motor eléctrico (en un rebase), se activa la APU para satisfacer el pico de corriente que se demanda, de esta forma, el pico de corriente no lo entrega el paquete de baterías. Dependiendo del intervalo de velocidades que se desee disponer, se dimensiona la potencia de la APU. En un principio se propusieron soluciones para un intervalo menor de velocidades, pero la tendencia hoy en día es la de usar un intervalo de mayor de velocidad. Esto implica sistemas de generación de mucha mayor potencia. Cuando un viaje es muy largo, el motor de combustión interna se activa, proporcionando la energía requerida a las baterías y así seguir cumpliendo con la demanda de energía del HEV. A altas velocidades, sólo parte de la energía proviene de las baterías, siendo éstas las que suministran la potencia necesaria para aceleraciones y rebases. A velocidad de crucero, la potencia generada en exceso se utiliza para recargar las baterías. Este sistema resulta eficiente si el 80% de los kilómetros recorridos son alimentados por la energía de las baterías que se han recargado mediante frenado regenerativo. En caso contrario es difícil la justificación de este tipo de propulsión híbrida ya que la energía eléctrica de las baterías proviene en realidad de la combustión del MCI [Chan, 02]. Las partes del sistema de propulsión del vehículo tipo serie se muestran en la figura 2.1. Figura Partes del sistema de propulsión de un vehículo híbrido eléctrico serie. Generador: Un generador síncrono de corriente alterna que produce la electricidad para cargar las baterías y, cuando se requiera, alimentar al motor eléctrico. Motor eléctrico: Un motor asíncrono de corriente alterna, compacto, de bajo peso y alta eficiencia. Inversor: El inversor cambia la corriente continua de la batería o del generador en corriente alterna para mover el motor eléctrico y cambia la corriente alterna del generador en corriente continua para cargar la batería. 7

20 CAPÍTULO 2. MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN. Control: Debido a las variaciones en las configuraciones de los HEV, se utilizan diferentes estrategias de control, las cuales son necesarias para regular el flujo de energía a los diferentes componentes. Cargador de Baterías: Se encarga de acoplar el voltaje de la batería en la carga o descarga con el bus de DC. En este trabajo la carga de las baterías se realiza mediante un convertidor Buck y un convertidor Boost en la descarga. Baterías: Se utilizan las baterías diseñadas para vehículos eléctricos, requiriendo una alta densidad de energía, peso liviano y una larga vida útil. Una vez presentados los elementos que componen el sistema de propulsión serie, es importante mencionar que las partes que se encuentran dentro de un cuadro punteado en la figura 2.1 no se modelan en este trabajo; todo el conjunto se toma como una fuente de corriente directa, que subministrará la energía necesaria al vehículo. El orden en que se presentará el modelado de los componentes será: 1. Motor de inducción trifásico jaula de ardilla (MIJA), 2. Inversor trifásico, 3. Cargador de baterías, 4. Batería. 2.3 MOTOR DE INDUCCIÓN JAULA DE ARDILLA. Para la obtención de las ecuaciones del MIJA se toman las siguientes consideraciones: es una máquina de inducción trifásica, simétrica, de cuatro polos y conectada en estrella. Los devanados del estator son idénticos, están distribuidos en forma senoidal, desplazados 120 eléctricos entre sí, con un número equivalente de vueltas Ns, y resistencia Rs. Para este caso, se representan los devanados equivalentes a los del estator, con Nr vueltas y resistencia Rr [Krause, 95]. Se parte de la suposición de que la máquina de inducción es un circuito magnético lineal. Es decir, la permeabilidad del núcleo se considera infinita y, además, la saturación, las pérdidas en el hierro y el efecto de las ranuras son despreciadas. El esquema fundamental del motor de inducción que se está considerando se muestra en la figura 2.2.

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