5. Visión del vehículo eléctrico e híbrido y posicionamiento. y comprendemos

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1 5. Visión del vehículo eléctrico e híbrido y posicionamiento y comprendemos

2 Geopolítica y tecnología

3 Dependencia del Petróleo Orígenes en países conflictivos Conflicto religioso Guerras Dependencia externa USA Europa Japón China Geopolítica

4 1910: El almirantazgo británico decide construir buques que consuman combustibles derivados del petróleo, en lugar de carbón. El imperio Británico, predominante en la época, tenía mucho carbón y ninguna gota de petróleo. Esta decisión sienta la problemática europea para el resto del siglo

5 Geopolítica Siete Hermanas hasta 1959 Nuevos players (fuera de OCDE) Standard Oil Royal Dutch Shell Anglo Persian Oil Company Exxon Mobil Chevron Gulf Oil Texaco Saudi Aramco (Arabia Saudi) JSC Gazprom (Rusia) CNPC (China) NIOC (Irán) PDVSA (Venezuela) Petrobras (Brasil) Petronas (Malasia) 11/3/2007 Financial Times)

6 Geopolítica Siglo XX

7 Geopolítica Coyuntura internacional CRISIS económica y NECESIDAD de nuevas aproximaciones y activación industrial

8 Coyuntura internacional: Litio Reservas en: Afganistán * Argentina Bolivia * Chile China

9 Automóvil: Aproximación histórica

10 Historia y aspectos básicos Inventado en Stuttgart en 1886 por Karl Benz / Gottlieb Daimler / Wilhelm Maybach Primer viaje largo en 1888 desde Mannheim a Pforzheim (105 km) Velocidad máxima de aprox. 20 Km/h. Consumo: Muy elevado La gasolina se compraba en farmacias en cantidades pequeñas 1910: Henry Ford comienza a producir Ford-T en su cadena de montaje. Comenzó

11 El empresario alemán Karl Benz, originario de Mannheim, obtiene una patente para un "vehículo con motor de gas" Andrew Lawrence Riker funda la Riker Electric Motor Company y en 1898 la Riker Vehicle Company para la fabricación de coches eléctricos En Brigthon, Magnus Volk construye su primer coche eléctrico de tres ruedas John Boyd Dunlop inventa de nuevo el neumático con cámara de aire Gottlieb W. Daimler inscribe la patente del motor de dos cilindros en V El ingeniero alemán Emil Capitaine desarrolla un motor de combustión de dos tiempos de alta compresión Panhard & Levassor desarrolla el System Panhard: el motor se dispone en la parte delantera del vehículo, accionando las ruedas traseras Wilhelm Maybach: carburador con tobera de inyección para obtener una mejor adaptación de la mezcla de carburante a la potencia del motor El ingeniero alemán Rudolf Diesel obtiene la patente para un motor de combustión interna que trabaja sin bujías y dispone de autoencendido Los hermanos suecos Jöns y Anders Cederholm presentan un vehículo con un motor bicilíndrico Continental Caoutchuk y Guttapercha Companie AG, de Hannover, comienza la producción de neumáticos con cámara de aire para automóviles El francés Léon Bollée ofrece su Voiturette, el primer vehículo de serie con neumáticos de aire La empresa Benz, de Mannheim, fabrica el coche número y se convierte en el fabricante más antiguo y más grande En Hartford, Connecticut, Estados Unidos, se funda la Pope Manufacturing Company para la fabricación de los coches eléctricos Columbia La empresa suiza SULZER HERMANOS construye el primer motor diesel Nikolaus Dürkopp La transmisión se efectúa mediante cadenas en lugar de correas. Este principio se impone al cabo de poco tiempo Benz se monta el motor en la parte delantera de un camión El empresario berlinés Franz Sauerbier desarrolla y construye un radiador de tubos con aletas Cerca Beaumont (Texas) se localiza un gran yacimiento de petróleo. El precio por barril desciende por debajo de los cinco centavos Louis Peter inicia la construcción de ruedas de bicicleta con llantas desmontables La empresa alemana Dürkopp construye el primer motor de seis cilindros, diseñado para turismos La empresa norteamericana Packard registra patente para la disposición en H del cambio de marchas Encendido electromagnético y motores con cilindros rectos Charles, Y. Knight registra la patente de alimentación por corredera AEG: Encendedor eléctrico de puros, que funciona simplemente apretando un botón, al calentar la batería un hilo de platino El príncipe Enrique de Prusia registra la patente del limpiaparabrisas Bocklenberg & Motto, radicada en la localidad alemana de Elberfeld, comienza la producción de cerraduras para la industria automovilística Las firmas Argyll, Crossley, Arrol-Johnson e Isotta-Fraschini emplean por primera vez frenos a las cuatro ruedas.

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13 5. Visión del vehículo eléctrico e híbrido y posicionamiento NUEVA ORIENTACIÓN ESTRATÉGICA DE TECNALIA AUTOMOCIÓN

14 Combustion engine efficiency increase (internal friction reduction) Combined diesel-otto cycles HCCI Electrification of engine accesories ( camshafts, pumps) Increas in specific output >120 KW/l (Downsizing) Adaptative and active suspension concepts (Geometry-Torque-Load) Friction reduction HCCI (homogeneous charge compression ignition) Adaptative suspension Electric actuators (valves) Direct gasoline injection Downsizing :High power output

15 Energy storage: Batteries, hidrogen storage) High efficiency electric drives Adaptative energy menagement Fuel cell cost reduction New electric transmission concepts Vehicle to Grid & charge infrastructure Vehicle to grid High capability energy Storage Electric Drives Infraestructure Adaptative energy management In wheel motors Fuel cell

16 New ADAS systems (Advanced Driver assistance Systems) HMI multimodal (Horse-car) Vehicle communications and traffic management Vehicle as entertainment centre New accesibility systems for the silver generation Towards autonomous driving Communication V2X Accurate GPS and new genration digital maps HMI multimodal ADAS systems: Towards autonomous driving Entertainment & Work place Accesibility

17 Combination of processes and materials (casting/ extrusions/ forming) Adaptative structures (active) New joining methods (riveting, adhesives, laser welding, brazing..) New structures and modules (Liquid packaging) Low cost composites & biomaterials Hybrid joining methods Steel combination Structure evolution Low cost composites Materials & processes combination Common platforms & modularity

18 Model Based design Virtual development of product & process Faster development cycle New Human Robot interfaces Machining of manufacturing process Model based design Virtual development of product and process Nuevo interfaz humano robot Faster development cycles

19 Tecnalia Research Lines: Towards the Ultimate Car (1/2) Composite body/structure parts Vehicle Advisory Gateway Manufacturing of the future Advanced suspension materials Active suspension systems Interior vehicle concepts Downsized multifuel range extender New Body in white concepts Vehicle modeling & simulation Advanced Electric Drives

20 5.Visión del vehículo eléctrico e híbrido y posicionamiento y nos organizamos en - Personas - Metodología - Equipos - Actividades

21 Conclusiones MODEL BASED DESIGN & TEST, SÍ TRABAJO EN EQUIPO (Eficiencia + Eficacia), SÍ HERRAMIENTAS Y ENTORNOS DE APOYO PARA LA ESPECIALIZACIÓN, SÍ PERO SOBRE TODO EL CONOCIMIENTO DE LAS PERSONAS, SU ACTITUD, SU APTITUD Y SU ESPECIALIZACIÓN

22 5.Visión del vehículo eléctrico e híbrido y posicionamiento y nos organizamos en - Personas - Metodología - Equipos - Actividades

23 BENCHMARKING Hybrid vehicles Benchmarking

24 Modelado y Simulación Problemas a resolver cada vez más complejos Responsabilidad Medioambiental Avance Sociedad Calidad de vida Soluciones tecnológicas avanzadas: I+D+i Soluciones fiables y robustas Modelar y Simular para entender mejor. Modelar y Simular para: Mercados globales muy competitivos Aporte de valor añadido a coste competitivo: Eficiencia Optimización: Diseño, Implementación, control MODEL BASED DESIGN & TEST (Soluciones óptimas que dan valor)

25 Modelado y Simulación en el sector del automóvil. MODEL BASED DESIGN Modelado y simulación Backward Dimensionamiento de componentes, diseño conceptual de estrategias energéticas, etc.) Modelado y simulación Forward Estrategias de control de accionamiento, etc. Modelado y Simulación en Tiempo Real Prototipado rápido de controladores, Test de subsistemas, HiL.

26 Modelado Multi Dominio MODELADO MULTIDOMINIO: EFICIENCIA & EFICACIA SISTEMA EN TIEMPO REAL PARA CONTROL O TEST FRAMEWORK ---- INTEGRADOR DE MODELOS Modelo Subsistema A (Lenguaje X) Modelo Subsistema B (Lenguaje X) Modelo Subsistema N (Lenguaje X) SISTEMA A MODELAR: Ojo! Restricciones debidas al tiempo real Sistemas Complejos: Difícil poseer el conocimiento de todos los subsistemas que lo forman Necesario trabajar en grupo / equipo: Reunión de expertos en cada subsistema Necesidad: Herramientas / Framework para la Integración n de Modelos

27 Dynacar RT: Qué es y para que se puede utilizar DYNACAR RT RT: Vehículo virtual embebido en un sistema en tiempo real con visualizador gráfico de escenarios de conducción avanzado. Modelo dinámico (RT) de un vehículo: Dinámica Longitudinal + Lateral APLICACIONES: Usocomosistema HiL Prototipado rápido de sistemas de control. Usocomosistema HiL Gobierno de bancadas o sistemas de test.

28 Dynacar RT: Virtual Rolling Chassis Concept. Modelado Multi Dominio

29 Dynacar RT y National Instruments Trends and Challenges in Real Time Test Bancadas test benchs (Dynamometers,.) Vehicle in the Loop Prototipado rápido Controladores de vehículos SetPoint + - FeedBack

30 Validación y Optimización de Modelos Model Based Design & Test sí, pero si apoyamos todos nuestros diseños y sistemas de test en modelos matemáticos, éstos deben ser fiables. Es necesario validar los modelos matemáticos utilizados Dynacar RT Dynacar FEV (90KW / 500Nm) con Sistema de Adquisión de Datos Embarcado Experimentación real para validar y optimizar los modelos Dynacar RT!!

31 Validación y Optimización de Modelos: Resultados Pruebas reales en circuito del I.N.T.A. Resultados Tiempo (s) Vs Velocidad (Km/h) Dynacar RT Dynacar EV MAPA CIRCUITO INERTIA VBOX 62Kw

32 5.Visión del vehículo eléctrico e híbrido y posicionamiento y nos organizamos en - Personas - Metodología - Equipos - Actividades

33 Advanced powertrain & suspension. Actividades e instalaciones

34 Advanced powertrain and suspension systems Target New solutions for electric powertrains and active suspension systems Applications Powertrain Design and Integration Suspension system components Powertrain characterization and testing. Technology Powertrain modeling and simulation Electric drive design & development Energy management systems Mechatronics Electronic control units: Rapid Prototyping Know-How Vehicle modeling and simulation, real time control & embedded systems, software & hardware in the loop, test benchs integration

35 Intelligent transport systems: Preventy Safety Applications COOPERATIVE ASSISTANCE SYSTEM: C2x cooperative communications foresighted vision in order to assist the driver on other vehicles and RSUs events (I2V and V2V) PERCEPTION: External and in-vehicle sensor technologies assessment in order to prevent hazardous situations. DRIVER COACHING: Driver-vehicle interaction design and eco-gateway research in order to improve driver performance, reduce unsafe behaviors and promote eco-driving.

36 Intelligent transport systems: Advance interior systems Applications ADAPTIVE HMI FAST PROTOTYPING: Vehicle-driver adaptive interaction taking into account factors such driver s distraction and workload. Fast HMI virtual prototyping using multimodal interfaces (visual, haptic and acoustic). DRIVER WELLNESS: Biometrics sensors technologies implementation to increase safety associated to driver s comfort. ACCESSIBILITY & COMFORT: Advanced vehicle interior concepts enhancing accessibility and comfort, considering aged and disabled people

37 Equipment - Facilities Validation vehicle (ITS) Dynacar Simulation Platform Hybrid Platform Electric Machine Test Benches Electronics Lab. Power Electronics Lab. Communications Lab. Minicorner test bench Battery cell Test Bench

38 Equipment - Facilities Minicorner development rig Virtual driving platform 150kW electric drive test bench New Facilities at AIC (Automotive Intelligence Centre)

39 5.Visión del vehículo eléctrico e híbrido y posicionamiento y nos organizamos en - Personas - Metodología - Equipos - Actividades

40 Vehicle Modelling and Simulation Vehicle full dynamic model (Longitudinal & Lateral dynamic responses). Models for powertrain electric components. Backward modeling & Forward Modeling Fig. Example Backward modelling Fig. Forward Modeling Hardware and Human in the Loop Simulation possibilities to help in prototyping and testing of propulsion control systems.

41 Dynacar: A product of Tecnalia Automotive Selected and present in the NI-week 2010 (Austin, Texas) world congress

42 Dynacar: Model integration for different purposes TEST BENCHS Courtesy of WINEMANN Technologies INERTIA - TEST AUTOMATION SOFTWARE & DATA LOGGING C generation & compile I/O and CAN bus coupled INERTIA REAL TIME FRAMEWORK NI RT LabView C generation & compile REAL TIME SYSTEM NI PXI Vehicle in the Loop Straight forward coupling due to RT-LabView Modeling TECNALIA VIRTUAL GRAPHIC SYSTEM FOR Environment and Driver in the Loop Dynacar Rolling chassis (NI- RT LabView Models) Courtesy of TECNALIA Automotive Models in others Input/Output Blocks LabView Control Models in LabView Other Models in Modelica Drive train model Multibody model Tire-Road contact model Suspension Model..

43 Control Systems Rapid Prototyping Tools & Methodologies for Control Systems Rapid Prototyping. Use of dspace Systems & tools for rapid prototyping of: powertrain & vehicle control systems, electric drives control and energy management systems.

44 Power Electronics and e-machine drive control Design & Prototyping of novel Inverter topologies (multilevel inverters, inductor less boost inverters ) Optimization of electric machines control: PMSM machines, Field Oriented Control, Direct Torque Control, Min Torque x Ampere control, Advanced Phase Control, Sensor less control. Simulation tools: PowerSim, Matlab, dspace for algorithms design & control prototyping.

45 Main technical characteristics: electric powertrain data Electric powertrain modeling Electric motors and inverters are modeled with different strategies: When datasheets are available, look up tables are used Dynamic response is estimated with simplified machine / inverter model for each technology (Induction, PM, SR..) and controls Look up tables for motor efficiency V = E + RI + jxdid + jxqiq T=3p/ws(EqIq+(Xd-Xq)IdIq) Typical formulation for Permanent magnet electrical machine and input data for control algorithms State of the art models are used for Dynacar electrical components

46 Main technical characteristics: electric powertrain data Electric powertrain modeling Battery systems are modeled with different approaches, in order to predict dynamic response and SOC. Tecnalia has characterized different battery technology for the development of battery management systems (cell test rig) Typical accuracy of RC parallel models is 92% Cell characterization rig Battery model for power supply and SOC State of the art models are used for Dynacar electrical components

47 Main technical characteristics: drivetrain data Drivetrain models Shafts are modeled as hollow cylinders Damping effect can be included Open differential is modeled as baseline Limited slip differential can be modeled, as well as control algorithms Detailed boundary conditions of driveshafts & propshafts can be obtained in RT Research on 4WD distributed motors with independent torque control for improved dynamics θ = Torque*(32*Length/(G π (D 4 -d 4 ))) Simplified model to take into account propshaft / driveshaft stiffness

48 Energy Management Systems for PHEV Concept: Prediction of driving cycle based in a non linear model using environment information V2X and driver conduct estimation. Use of the prediction to calculate the best energy strategy trough an embedded vehicle backward model and a very fast evolutionary algorithm, for searching a near optimum strategy for this predicted driving cycle. Eco - Gateway Use of Non Linear Model Predictive Control philosophy. (Receding Horizon) Use of Advanced Computational Techniques for the Non Linear Model, such us NN (Neural Networks) EeDA Identificación de la situación/evento a corto plazo Mensajes I2V y V2V (Corto Plazo) EMS & ECU BD Mensajes I2V y V2V (Corto y Largo Plazo) Preseteo inicial del modelo predictivo. Basado en trayecto a realizar y datos históricos. EMS Inicio Viaje Cálculo del ciclo de conducción óptimo en energía para dicho evento Cálculo 1ª estrategia EMS basada en predicción inicial EMS & ECU Elaboración y envío de la mejor información de asistencia al conductor para que siga dicho ciclo MODELO NO LINEAL PREDICTIVO ADAPTATIVO Predicción de nuevo ciclo de conducción futuro Presentación de la Información al conductor HMI Recálculo de nueva estrategia EMS óptima y actuación sobre sistema ICE, CVT, POWER SPLIT, etc.

49 Test & Characterization of the powertrain key electrical components Characterization of battery packs (phosphate Li-Ion) for a 5KW electric scooter. - Behavior of Battery using standard driving cycles or real driving cycles recorded before on board in a motor bike. Automated testing. - Performance characteristics. (discharge, charge, efficiency, temperature effect,.) - Cycles data logging for analyzing and modeling the State of Health based on numerical analysis. Switch control Motor Bike and Driver in the Loop. RT model of the motorbike and the driver Temperature controlled cabinet BMS BMS ELECTRONIC CONTROLLED LOAD V, I, T V, I, T BATERY A BATERY B DATA- LOGGING Switch control BATTERY CHARGER

50 Cooperación con la Universidad Advanced powertrain & suspension, external cooperation: Agreement with EHU/UPV (University), permanent room at university. Cooperation with Control and automation department: Intelligent Control Research group (Bilbao Engineering school) 2 projects per year launched Cooperation with the Mechanical engineering department Advanced mechanisms Research group (Bilbao Engineering school) 3 projects per year (including F-Student developments) Cooperation with the Electronics and Telecommunication department: Cooperation with Electric Drives Research group (Eibar Engineering school) Cooperation with the Applied electronics research team research group (Bilbao Engineering school) 3 projects per year Technological platforms & agreements: ERTICO Members EARPA Members Agreement with MIT (mobility concepts)

51 6. Lecciones aprendidas

52 Durante los próximos años, el automóvil y nuestro concepto de movilidad van a cambiar totalmente Conclusiones

53 Lecciones aprendidas Hay que empezar cuanto antes: El camino no es recto El futuro nos debe sorprender, pero no puede pillarnos por sorpresa Hay que cambiar: Vamos a hacerlo nosotros, antes de que nos lo hagan! Método, método, método!!! Organización, organización, organización!!! La I+D+i es siempre un proceso de aprendizaje y creación Nadie se levanta una mañana y dice: Ya estoy aquí Somos técnicos. A veces, nuestro trabajo depende de factores que no controlamos. Nuestro deber es hacerlo lo mejor posible El futuro siempre está por inventar

54 No podemos pretender que las cosas cambien si siempre hacemos lo mismo Albert Einstein

55 MUCHAS GRACIAS J. Manuel Pedrero

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