CONTROL ÓPTIMO DE LA ENERGÍA EN UN VEHÍCULO HÍBRIDO ELÉCTRICO EMPLEANDO REDES NEURONALES

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1 PONTIFICIA UNIERSIDAD CATOICA DE CHIE ESCUEA DE INGENIERIA CONTRO ÓPTIMO DE A ENERGÍA EN UN EHÍCUO HÍBRIDO EÉCTRICO EMPEANDO REDES NEURONAES JORGE AEJANDRO MORENO DE A CARRERA Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería Profesor Supervisor: JUAN W. DIXON ROJAS Santiago de Chile, Junio de 2004

2 PONTIFICIA UNIERSIDAD CATOICA DE CHIE ESCUEA DE INGENIERIA Departamento de Ingeniería Eléctrica CONTRO ÓPTIMO DE A ENERGÍA EN UN EHÍCUO HÍBRIDO EÉCTRICO EMPEANDO REDES NEURONAES JORGE AEJANDRO MORENO DE A CARRERA Tesis presentada a la Comisión integrada por los profesores: JUAN W. DIXON ROJAS ADO CIPRIANO ZAMORANO JOSÉ RODRÍGUEZ PÉREZ JOSÉ DE AE ADSER Para completar las exigencias del grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería Santiago de Chile, Junio de 2004

3 A mis Padres, por su apoyo, cariño y edación. ii

4 AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a mi profesor guía, Juan Dixon Rojas, por su enorme gratitud y constante apoyo. En segundo lugar, agradezco al proyecto Fondecyt Nº por el financiamiento otorgado para desarrollar la tesis. Finalmente, quiero agradecer a Macarena de Toro, por su cariño; mi hermana Poly; mis Partners, Matías Negrete, icente Iragüen, Andrés Pimentel, Manuel arraín, José uis Manieu y Ricardo Ávila por los momentos vividos durante la época universitaria; y a mis amigos de la infancia Cristián Bustamante, Rodrigo Herrera y Francisco Benavides. iii

5 INDICE GENERA Pág. DEDICATORIA...ii AGRADECIMIENTOS...iii INDICE GENERA... iv INDICE DE TABAS...viii INDICE DE FIGURAS... ix RESUMEN... xii ABSTRACT..xiii I. INTRODUCCIÓN Introdción Historia de los ehículos Eléctricos Topologías ehículos Eléctricos en la Universidad Católica Alcances de la Tesis Organización de la Tesis II. COMPONENTES DE SISTEMA DE TRACCIÓN DE A CAMIONETA CHEROET U Descripción del Motor Descripción de la Fuente Primaria de Energía Descripción del Inversor Descripción de la Fuente Auxiliar de Energía Descripción del Convertidor DC-DC Estrategia Actual de Control de Carga iv

6 2.7 Conclusión III. MODEACIÓN DE CONERTIDOR BUCK BOOST Introdción Análisis de la Topología Bk Análisis de la Topología Boost I. CONTRO ÓPTIMO Objetivos del Control Óptimo Condiciones de Optimalidad Sistemas de una Etapa Sistemas Multietapa Optimización Numérica - Método del Gradiente CONTRO ÓPTIMO DE FUJOS DE ENERGÍA EN EHÍCUOS HÍBRIDOS (HE) Redción del Consumo de Energía en ehículos Planteamiento del Modelo Desarrollo de las Condiciones de Optimalidad Solión Numérica - Resultados I. ENTRENAMIENTO DE REDES NEURONAES PARA APROXIMAR E CONTRO ÓPTIMO Introdción a la Identificación de Sistemas Introdción a Redes Neuronales Multicapa Concepto de Neurona Redes Neuronales Multicapa Elección de la arquitectura de la Red Entrenamiento de Redes Neuronales Resultados de la Aproximación de la Función de Control Óptimo...64 v

7 II. IMPEMENTACIÓN PRÁCTICA Introdción Características y selección del Microcontrolador Selección del Microprocesador Características del DSP TMS320F Software del Controlador Módulo de Inicialización del Sistema Módulo de Interrupción de Timer...75 III. RESUTADOS EXPERIMENTAES Pruebas Control de Corriente Pruebas de Red Neuronal Resultados de Eficiencia IX. CONCUSIONES Y TRABAJO FUTURO Conclusiones Trabajo Futuro BIBIOGRAFIA Anexo nº 1: Análisis de eficiencia del convertidor bk Anexo nº 2: Análisis de eficiencia del convertidor boost Anexo nº 3:Programa de simulación método del gradiente Anexo nº 4: Detalle de resultados de simulaciones Anexo nº 5: Teorema de aproximación universal de funciones Anexo nº 6: Detalle de la red neuronal entrenada Anexo nº 7: Tabla de alidación red neuronal vi

8 Anexo nº 8: formato numérico digital q m,n (q n ) Anexo nº 9: Programa Implementado en el dsp Anexo nº 10: Detalle de Datos Pruebas en Ciudad vii

9 INDICE DE TABAS Pág. Tabla 2.1: Comparación de Ultracapacitores con otras fuentes de almacenamiento de Energía Tabla 2.2: Resultados de pruebas en circuito de ciudad Tabla 7.1: Características del microprocesador TMS320F Tabla 8.1: Resultado de pruebas en circuito de ciudad Tabla 8.2: Resultado de pruebas en circuito de ciudad - Comparación de las estrategias de control Tabla A4.1: Simulación de la descarga en las erías con sistema de control óptimo y control con control de carga Tabla A6.1: Coeficientes de la Red Neuronal obtenidos con MATAB Tabla A6.2: Representación de los coeficientes en formato Q15 en el DSP Tabla A6.3: Coeficientes reales de la Red Implementada en el DSP Tabla A10.1: Resultado de pruebas en circuito de ciudad utilizando Sistema de Control con Redes Neuronales Tabla A10.2: Resultado de pruebas en circuito de ciudad utilizando Sistema de Control de Carga de los Ultracapacitores Tabla A10.3: Resultado de pruebas en circuito de ciudad utilizando Sistema con Regeneración en Baterías Tabla A10.4: Resultado de pruebas en circuito de ciudad utilizando Sistema sin Regeneración viii

10 INDICE DE FIGURAS Pag. Figura 1.1: ehículo Eléctrico... 4 Figura 1.2: ehículo Híbrido Serie... 6 Figura 1.3: ehículo Híbrido Paralelo... 7 Figura 2.2: Motor Brushless DC en la Camioneta U Figura 2.3: Característica de Carga de las Baterías Figura 2.4: Ubicación de Baterías en el ehículo Figura 2.5: Ubicación del Inversor en el ehículo Figura 2.6: Ubicación de los Ultracapacitores en la Camioneta U Figura 2.7: Comparación de Ultracapacitores con otras fuentes de almacenamiento de Energía Figura 2.8: Ubicación del Convertidor en el vehículo Figura 2.9: Circuito de Potencia de la Camioneta U Figura 2.10: Diagrama de la Estrategia de Control Figura 2.11: Corrientes en el sistema durante parte del ciclo de manejo Figura 3.1: Sistema con Convertidor DC-DC Figura 3.2: Convertidor Bk Figura 3.3: Estados del Convertidor Bk: (a) oltaje y Corriente en la Bobina, (b) IGBT en ON, (c) IGBT en OFF Figura 3.5: Convertidor Boost Figura 3.6: Estados del Convertidor Boost: (a) oltaje y Corriente en la Bobina, (b) IGBT encendido, (c) IGBT apagado ix

11 Figura 3.7: Modulación de oltaje en un Convertidor Boost ideal y real Figura 4.1: Diagrama de Flujo de un Sistema de una Etapa Figura 4.2: Diagrama de Flujo de un Sistema Multietapa Figura 4.3: Método del Gradiente Figura 5.1: (a) Potencia requerida por la camioneta U vs velocidad; (b) Mejora porcentual en el consumo de potencia de la camioneta vs redción de parámetros de diseño (a 50 km/hr) Figura 5.3: Resultado control óptimo sistema Bk Boost lado de alta tensión Figura 6.1: Sistema dinámico con entrada x(t) y salida y(t) Figura 6.2: Diagrama de Bloques Identificación de Sistemas Figura 6.3: Identificación de sistemas - procedimiento Figura 6.4: Esquema de una Neurona Figura 6.6: Esquema de una feedforward network de seis entradas, dos capas intermedias y dos salidas Figura 6.7: Esquema de la Red Neuronal Entrenada Figura 6.8: Resultados Simulación de la Red para un recorrido específico Figura 7.1: Diagrama Funcional del DSP TMS320F Figura 7.2: Diagrama Funcional de la CPU Figura 7.3: Diagrama de Bloques Modulo Figura 7.4: Interpolación de datos de tabla Figura 7.5: Comparación entre el cálculo de la función tanh mediante punto flotante e interpolación de tabla x

12 Figura 7.6: Tiempos de cálculo. (a) Red Neuronal Completa, (b) Neurona Capa Intermedia, (c) Neurona Capa de Salida Figura 7.7: Diagrama de Bloques Interrupción de Timer Figura 8.1: Pruebas de control de corriente en el convertidor Bk- Boost Cambio en el escalón de 200 [A] Figura 8.2: Resultado control de corriente en el convertidor Bk-Boost Figura 8.3: alidación de la Red Neuronal en el DSP Figura 8.3: Mapa del Recorrido Figura 8.4: Corrientes, voltajes y velocidad durante parte de un recorrido Figura A1.1: Convertidor Bk y sus modos de operación Figura A2.1: Convertidor Bk y sus modos de operación Figura A8.1: Correspondencia entre valores decimales y enteros para representación digital en formato Q Figura A8.2: Multiplicación de números en formato Q xi

13 RESUMEN Se ha desarrollado y probado un sistema de manejo de energía para vehículos híbridos eléctricos altamente eficiente. El sistema está basado en una red neuronal, la cual minimiza el consumo de energía de las erías. a red ha sido entrenada con datos provenientes de simulaciones para distintas condiciones. El sistema puede operar con diferentes fuentes de energía como celdas de combustible, microturbinas, erías de Zinc-Aire u otra fuente con escasa capacidad de recuperar energía del frenado regenerativo, o escasa densidad de potencia, es decir, baja capacidad para proveer los peak de corrientes en aceleraciones del vehículo. El vehículo experimental utiliza un banco de erías de plomo ácido, un banco de ultracapacitores y un motor Brushless DC de 32 kw de potencia nominal y 53 kw de potencia máxima. El sistema de control, implementado en un DSP, mide y guarda los siguientes parámetros: voltaje de la fuente primaria, velocidad del vehículo, corrientes en ambos terminales (fuente primaria y ultracapacitores) y el voltaje de los ultracapacitores. Tras numerosas pruebas con el sistema de ultracapacitores se ha obtenido un aumento en la autonomía de un 5.3%, utilizando la estrategia clásica de control de carga de los condensadores. Ahora, cuando se utiliza el nuevo sistema de manejo de energía desarrollado, este índice aumenta a un 8.9%. El automóvil utilizado es una camioneta Chevrolet U, la que fue convertida en la Universidad Católica de Chile. xii

14 ABSTRACT A highly efficient energy management system for hybrid electric vehicles (HE), using neural networks (NN), was developed and tested. The system minimizes the energy requirement of the vehicle and can work with different primary power sources like fuel-cells, microturbines, zinc-air teries or other supply with poor ability to recover energy from regenerative braking, or with scarce power capacity for fast acceleration. The experimental HE uses lead-acid teries, an ultracapacitor bank, and a brushless dc motor with a nominal power of 32 kw, and a peak power of 53 kw. The control system, based on a DSP, measures and stores the following parameters: primary source voltage, car speed, instantaneous currents in both terminals (primary source and ultracapacitor), and actual voltage of the ultracapacitor. The increase in range with ultracapacitors has been around 5.3 % in city tests, compared when only lead acid teries are used, but when optimal control with NN is used, this figure increases to 8.9 %. The car used for this experiment is a Chevrolet U trk, similar in shape and size to a Chevrolet S-10, which was converted to an electric vehicle at the Universidad Católica de Chile. Numerous experimental results under different conditions are compared and discussed. xiii

15 I. INTRODUCCIÓN 1.1 Introdción El combustible fósil ha sido la fuente primaria de energía dominante en los sistemas de transporte existentes. Sin embargo, existe conciencia de que las reservas de este combustible en la tierra son limitadas. Si a esto agregamos la gran inestabilidad existente en los últimos años en el medio oriente y la creciente preocupación por el ecosistema, encontramos que ha comenzado a tomar gran relevancia la posibilidad de utilizar formas alternativas de energía. Hoy en día, la búsqueda de automóviles más eficientes ha impulsado el desarrollo de los vehículos híbridos (HE) y eléctricos (E). Junto a ello, nuevos elementos de tracción más eficientes, como motores de imanes permanentes (Brushless DC); electrónica de potencia, IGBT s; y fuentes de almacenamiento de energía tales como celdas de combustible, erías, erías de alta densidad de potencia y ultracapacitores Historia de los ehículos Eléctricos El desarrollo de los vehículos eléctricos comenzó a mediados del siglo XIX, cuando en 1831 Joseph Henry construye el primer motor eléctrico. El primer prototipo de auto eléctrico no tardó en aparecer y en 1835 un profesor holandés llamado Sibrandus Stratingh elaboró el primer diseño, el cual fue construido Christopher Becker, su asistente. uego, en 1842, Thomas Davenport y Robert Davidson elaboran un modelo más práctico y exitoso (ABOUT.COM, 2002). Ya hacia finales del siglo XIX, Francia y Gran Bretaña habían logrado grandes desarrollos, y los vehículos eléctricos eran una alternativa tanto o más tangible que los vehículos a gasolina o vapor. No fue hasta 1895 que Estados Unidos empezó a considerar el desarrollo de este tipo de vehículos, después que en 1891 A.. Ryker construyera un triciclo eléctrico 1

16 y William Morrison desarrollara un vehículo para seis personas. uego de ello se desarrolló la primera aplicación comercial a gran escala, cuando en 1897 se estableció una compañía de taxis eléctricos en Nueva York. A comienzos del siglo XX, Estados Unidos comenzó un fuerte desarrollo y los vehículos eléctricos, a gasolina y vapor eran cada vez más populares. En esta época, las ventajas que poseían los vehículos eléctricos sobre su homólogo a gasolina eran notorias; entre ellas, la menor vibración, redido mal olor y ruido, y la ausencia de cambio de velocidades. Por otra parte, los vehículos a vapor necesitaban aproximadamente 45 minutos para partir. Todo lo anterior llevó a que los vehículos eléctricos fueran los que contaran con mayor demanda. Fue hasta 1920 cuando los vehículos eléctricos tuvieron su mayor desarrollo. En esos años Estados Unidos ya contaba con una red de caminos en buen estado entre las distintas ciudades, por lo que una mayor autonomía se hizo necesaria. Por otra parte, el descubrimiento de petróleo en Texas bajó los precios e hizo de éste un combustible más accesible. Además, Charles Kettering inventó el motor eléctrico de partida en 1912 por lo que el problema del arranque de los motores a combustión fue solionado. Finalmente, la prodción en masa de motores de combustión interna por parte de Henry Ford hizo que los precios de los automóviles a gasolina fuesen notoriamente más competitivos. Durante el resto del siglo XX, el desarrollo de los vehículos eléctricos fue prácticamente paralizado, y los automóviles a combustión tomaron su lugar debido principalmente a su capacidad de almacenar grandes cantidades de energía. Después de la década del 50 comenzó el desarrollo de la electrónica de potencia. Con ello, la invención de los transistores de silicio en 1948 y posteriormente en 1956 el transistor de disparo PNPN o tiristor. Estos inventos permitieron eliminar las resistencias que controlan la velocidad de los motores de corriente continua y reemplazarlas por Choppers. 2

17 uego, a comienzos de los años 80 se inventan los Transistores de potencia y los GTO, dando paso al desarrollo de inversores, elementos capaces de alimentar los motores de corriente alterna desde una fuente de corriente continua, permitiendo así un control más fino de su velocidad. Un desarrollo posterior fue la invención de las válvulas IGBT y de los motores de imanes permanentes. El problema ecológico empezó a plantearse ya en los años 70 y junto a ello, a considerarse las altas emisiones prodidas por los vehículos a combustión. Por otra parte, como parte del desarrollo estratégico de Estados Unidos, empezó la búsqueda de nuevas formas de energía para disminuir la dependencia del petróleo proveniente del medio oriente. En los últimos años, la redción de contaminantes en las grandes ciudades y la búsqueda de automóviles más eficientes ha impulsado nuevamente el desarrollo de los vehículos eléctricos (E) e híbridos (HE). Junto a ello fuentes generadoras estáticas de energía eléctrica, como las celdas de combustible, y fuentes de almacenamiento de energía como erías, erías de alta densidad de potencia, ultracapacitores y flywheels (Oman, 2002), (Wyczalek, 2001). Además, los países desarrollados han tomado una actitud de fomento al uso de energías renovables y no contaminantes. Por ejemplo, en el estado de California se propuso un plan de incentivos o subvenciones con el fin de lograr que el 10% del parque automotriz sea del tipo ZE (Zero Emision ehicles) para el año 2003 (California Air Resources Borrad, 2002), (U.S. Departmen of Energy, Hyrbrid Electric ehicle Program). Sin embargo, los fabricantes de vehículos han demandado al estado, debido a que consideraron poco práctica la medida. Hoy, el estado de California se encuentra en una disputa legal y se está haciendo un replanteamiento de modo que se pueda cumplir la normativa hacia fines del En Chile también se han dado pasos en esa dirección, con medidas como la prohibición de la utilización de vehículos contaminantes para el transporte de carga en el centro de Santiago. 3

18 1.1.2 Topologías Actualmente existen dos líneas de desarrollo, los vehículos eléctricos (E) propiamente tal, y los vehículos híbridos eléctricos (HE). El principio de funcionamiento de los E se caracteriza por su sencillez, y es prácticamente el mismo que en sus comienzos. Este consiste en una fuente primaria de energía, erías (Plomo Ácido, Zinc Aire, Níquel Metal Hidruro, itio Ión, de Sodio, etc) o celda de combustible, y un elemento rotatorio motriz: motor de indción, Brushless DC, etc. Se ha agregado un conversor DC-AC (inversor) para la transformación de la energía proveniente de la fuente y el control de velocidad del vehículo. En la figura 1.1 se ilustra la dirección de los flujos de energía dentro de un E. Figura 1.1: ehículo Eléctrico Su principal ventaja es que permiten regeneración, es decir, recuperan parte de la energía del vehículo en cada frenada. Si se compara con el vehículo de combustión, los E son más eficientes y sencillos, poseen menos partes móviles, requieren menos mantención y no liberan emisiones. Sin embargo, son más caros y su autonomía es limitada. os vehículos híbridos (HE) combinan el motor de combustión interna de un vehículo convencional con un conjunto de erías y un motor eléctrico de un E 4

19 obteniendo, prodto de la combinación de ambos, un ahorro de combustible significativo si lo comparamos con los vehículos convencionales. Esta combinación otorga la amplia autonomía y rápida recarga esperada por los usuarios, además de un gran beneficio ambiental al disminuir significativamente las emisiones y ser notablemente más eficientes. as ventajas que poseen los HE sobre los automóviles convencionales se resumen en: 1. Capacidad de frenado regenerativo, permitiendo la recuperación de energía en cada frenada y ayudando a minimizar las pérdidas. 2. El motor de combustión puede ser dimensionado para entregar la potencia media, lo cual rede significativamente su peso. 3. Aumento en la eficiencia de consumo de combustible. 4. as emisiones son redidas notablemente. 5. a utilización de materiales especiales ayudan a disminuir el peso total del vehículo. Dentro de los HE se pueden encontrar diferentes configuraciones. Básicamente, los vehículos híbridos combinan un sistema de almacenamiento de energía, una unidad de potencia y un sistema de propulsión. as alternativas para sistemas de almacenamiento incluyen erías, ultracapacitores y flywheels. Hoy las erías son la opción más utilizada, sin embargo no está todo definido y la investigación se realiza en las distintas áreas. a unidad de potencia puede estar formada por motores de inyección, turbinas de gas o celdas de combustible. a propulsión puede ser otorgada completamente por un motor eléctrico, configuración serie, o en conjunto con el motor a combustión, configuración paralela. a eficiencia y nivel de emisiones de un vehículo híbrido depende de la combinación de cada uno de los subsistemas, de cómo estos son integrados en un sistema global, y de la estrategia de control que integra a cada uno de los subsistemas. A 5

20 modo de ejemplo, un vehículo híbrido que utiliza celdas de combustible alimentadas con hidrógeno prode sólo agua como residuo. ehículo Híbrido Configuración Serie: Un vehículo híbrido con configuración serie posee una unidad de potencia, que puede estar formada por un motor a combustión y un generador eléctrico, o una celda de combustible. Es ésta unidad la encargada de prodir la electricidad requerida por las erías y el motor de tracción. En un vehículo serie sólo un elemento es el que prode la potencia mecánica de tracción. En él, la energía es transformada, en una primera instancia, de energía química a energía mecánica, luego a energía eléctrica y finalmente nuevamente a energía mecánica para mover las ruedas. a figura 1.2 muestra el esquema típico de esta configuración. Además se muestra la dirección de los flujos de energía dentro del vehículo. Figura 1.2: ehículo Híbrido Serie os beneficios de esta configuración se resumen en: 1. El motor nunca se detiene ya que debe preocuparse de mantener el estado de carga de las erías. 6

21 2. El motor a combustión se mantiene funcionando en una zona óptima, lo que rede las emisiones. 3. No necesita caja de transmisión. Finalmente, una de las desventajas de esta configuración es que el motor a combustión trabaja arduamente en mantener la carga de las erías. ehículo Híbrido Configuración Paralelo: A diferencia de la configuración serie, en el vehículo paralelo la potencia mecánica de las ruedas es proporcionadas por dos unidades de manera independiente. Esto es, un motor a combustión, similar al de un vehículo convencional, y un motor eléctrico. A modo de ejemplo, un vehículo paralelo puede utilizar la potencia del motor de combustión interna para manejo en carretera y la potencia del motor eléctrico para la aceleración. a figura 1.3 muestra el esquema de tracción de esta topología junto a la dirección de los flujos de energía prodidos. Figura 1.3: ehículo Híbrido Paralelo os beneficios de esta configuración se resumen en: 1. El vehículo tiene más potencia debido a que tanto el motor a combustión como el eléctrico proveen la potencia simultáneamente. 7

22 2. No necesitan un generador separado debido a que el motor eléctrico regenera a las erías. 3. Debido a que la potencia va acoplada directamente a la transmisión, suelen ser más eficientes. a gran versatilidad de configuraciones de los vehículos híbridos junto a la necesidad de interacción de las distintas fuentes de energía hace necesario un sistema de manejo global de los flujos de energía, de modo que ambas fuentes operen de manera óptima. Esto último agrega un nivel de complejidad no encontrado en los automóviles convencionales. Otra distinción entre los vehículos híbridos corresponde a los que mantienen la carga de la fuente de energía y los que la van descargando a través del tiempo. En ambos casos, el hardware y la estrategia de control utilizada son notoriamente distintos. En el segundo caso, las erías no pueden ser recargadas a la misma tasa que son descargadas. os vehículos que son diseñados para mantener la carga poseen una unidad de potencia dimensionada para otorgar la potencia media, de modo que, si es operada en las condiciones esperadas, será capaz de mantener un nivel de carga en las erías de modo indefinido. a flexibilidad de los HE viene de la capacidad de la estrategia de control de manejar cuanta potencia fluye de cada uno de los componentes. De esta forma, los componentes del vehículo pueden ser integrados junto con la estrategia de control para obtener el diseño óptimo dado un conjunto de restricciones. Entre los objetivos deseables para los HE encontramos: 1. Maximizar la economía de combustible. 2. Minimizar las emisiones. 3. Minimizar el costo del sistema de propulsión, de modo de hacerlos cada día más alcanzables. 8

23 4. Realizar lo anterior bajo ciertas condiciones de desempeño (aceleración, ruido, rango, etc) Para alcanzar estas especificaciones, la configuración de hardware y la topología de control deben ser diseñadas al mismo tiempo. En suma, la gran flexibilidad de configuración y control de los vehículos híbridos hacen que éstos puedan ser diseñados de distinta forma, de modo de abarcar las necesidades particulares de cada grupo de mercado, automóviles más eficientes y con menor gasto de combustible, alternativas de mayor potencia, etc. Por lo cual, la tracción eléctrica, y en particular el desarrollo de medios eléctricos de transporte, es un área que ha presentado un desafío importante a los científicos e investigadores de hoy en día, que estudian temas tan diversos como electrónica de potencia, diseño de motores, control de motores, optimización, aerodinámica, etc. los que se combinan para buscar solión a las problemáticas planteadas para esta área del desarrollo. Dentro de los problemas a solionar se encuentran el mejor aprovechamiento de la energía, la capacidad de almacenarla, mejorar la confiabilidad de los sistemas, redir los costos de desarrollo y prodción, entre otros ehículos Eléctricos en la Universidad Católica El trabajo de investigación en la Universidad comenzó en el año 1997 cuando el profesor Juan Dixon comenzó a plantear la constrción del primer vehículo eléctrico armado en Chile con tecnología de punta. uego, se inició la investigación en las distintas líneas de trabajo. En 1998 con la colaboración de General Motors, Tramcorp (Trading Motors Corporation), Baterías Sonnenschein, CGE (Compañía General de Electricidad), BM Industrias Eléctricas y aportes financieros de Conicyt a través de Proyectos Fondecyt, se desarrolló el primer vehículo eléctrico en Chile impulsado por motores Brushless DC. El vehículo es una camioneta Chevrolet modelo U de doble cabina cuya adaptación finalizó el año El vehículo ha demostrado ser altamente confiable y eficiente. En términos monetarios cuesta diez y seis pesos chilenos el kilómetro recorrido, lo que equivale a una eficiencia de combustible de más de 33 9

24 kilómetros por litro, es decir, al menos cuatro veces más económica que una U de combustión interna.. El vehículo cuenta con instrumentación digital y posee tres procesadores: uno para el control del motor, otro para la instrumentación y un tercero para la carga de las erías. Posee un motor tipo brushless DC de 95% de eficiencia, 71 HP y 47 kg de peso, con un torque máximo de 240 Nt m entre cero y rpm. Su velocidad máxima es 120 km/hora y aceleración de cero a 60 km/hr en 9 segundos. a autonomía actual es de 50 kms con una profundidad de descarga de las erías de 60%. Como unidad de almacenamiento de energía posee 26 unidades selladas de Plomo-Ácido, de Ah cada una (peso total 520 kg.) El desarrollo de este vehículo permitió la donación desde California de un segundo vehículo: una camioneta Chevrolet S-10 impulsada por dos motores de indción trifásicos, la cual fue modernizada con instrumentación digital. a donación la efectuó la empresa eléctrica "Southern California Edison" el año 2000, cuyos ejecutivos quedaron muy sorprendidos por el trabajo realizado en Chile con la U. Figura 1.4: ehículos Eléctricos en la Universidad Católica El año 2001 se consiguieron fondos Conicyt a través de un nuevo proyecto Fondecyt para desarrollar un sistema de frenado regenerativo óptimo para la camioneta U, con lo cuál se consiguió hibridizar el vehículo. El sistema auxiliar de energía 10

25 consta de un convertidor Bk Boost, diseñado y construido en el departamento de ingeniería eléctrica de la universidad, y un banco de ultracapacitores, cuyo voltaje nominal es 300 dc, corriente 200 Adc y capacidad total igual a 20 Faradios. 1.2 Alcances de la Tesis Dentro del problema de diseño de los vehículos híbridos se encuentra el de encontrar una estrategia de control óptima que minimice el consumo de combustible. Como los HE poseen dos sistemas de almacenamiento de energía, se debe encontrar la distribión de los flujos de energía que minimice las pérdidas, y de esa forma minimizar el consumo de energía de la fuente primaria. En una memoria anterior se había diseñado un sistema de frenado regenerativo para la camioneta U (Ortúzar, 2002), el cual consiste en un banco de ultracapacitores y un convertidor DC-DC tipo Bk-Boost. En un trabajo posterior se elaboró la estrategia de control y un sistema de monitoreo, el cual permite la evaluación del sistema en tiempo real (Dixon et al., 2000), (Dixon et al., 2002). a estrategia de control fue elaborada basándose en el comportamiento esperado para el sistema de modo heurístico. Como primer objetivo de esta tesis se planteó estudiar el desarrollo de una nueva estrategia de control que considere la eficiencia de operación del sistema, de modo de minimizar el consumo de energía de las erías. Finalmente, se debió estudiar su implementación práctica, de modo de lograr un ahorro efectivo de energía en términos de kilómetros recorridos por KWh para condiciones de manejo típicos de ciudad. En síntesis, en la presente tesis se plantea el objetivo de diseñar una estrategia de control que minimice el consumo de energía de las erías para un vehículo eléctrico, específicamente la camioneta U con que cuenta el departamento de ingeniería eléctrica. 11

26 1.3 Organización de la Tesis En el capítulo II se realiza una revisión de los componentes que conforman un sistema de tracción de la camioneta Chevrolet U. Se describe el motor, el sistema de almacenamiento de energía, el conversor de potencia, el banco de ultracapacitores y el conversor DC-DC controlador. Finalmente, se entrega una descripción de la estrategia de control desarrollada previamente para controlar los flujos de energía entre la fuente primaria (erías) y los ultracapacitores. En el capitulo III se hace una descripción de la operación del convertidor DC-DC tipo Bk Boost. En él se incluye principio de funcionamiento, modelación y análisis de eficiencia en la conversión de energía. En el capítulo I se desarrolla el marco teórico relativo al control óptimo de sistemas. Se plantea el objetivo del diseño de controladores óptimos, luego, se introde el estudio de las condiciones de optimalidad. Finalmente se exponen métodos numéricos para su resolión. En el capítulo se aplica la teoría de control óptimo expuesta en el capítulo anterior a la minimización de la descarga en las erías de un vehículo eléctrico, y en particular el caso en que la fuente primaria corresponde a erías y la fuente secundaría a ultracapacitores. Se muestran finalmente algunas simulaciones con los resultados. En el capítulo I se introde a la identificación de sistemas. Interesa principalmente buscar una solión a la aproximación de la función de control óptimo obtenida en el capítulo. Para ello, se introden las redes neuronales aplicadas a la identificación de sistemas. Se revisan los conceptos de neurona, redes neuronales, métodos de entrenamiento y validación de sistemas. Finalmente se presentan los resultados obtenidos en la identificación de la función de control óptimo. En el capítulo II se revisa la información referente a las características del microprocesador utilizado y en particular las ventajas que presenta frente a otras 12

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