Modelización del sistema propulsor de vehículos eléctricos con extensión de rango y enchufables. Índice

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1 Índice Capítulo 1. Introducción y Planteamiento del Proyecto 1-1. Planteamiento Los vehículos híbridos Los vehículos híbridos en serie Vehículos híbridos en serie existentes Motivación del proyecto 17 Capítulo 2. Descripción de Tecnologías 2-1. La simulación de un sistema Las técnicas de simulación de vehículos híbridos La técnica denominada Hardware in the Loop simulation Las aplicaciones de HILS Por qué usar HILS? Limitaciones de una simulación de HILS Cómo implementar una simulación de HILS El HILS en los vehículos híbridos 34 Capítulo 3. El modelo empleado 3-1. Objetivos Metodología Modelo Generador de ciclos y dinámica del vehículo Conjunto eléctrico Conjunto motor térmico generador eléctrico Centralita de control electrónico (ECU) Código de optimización embebido Los ciclos Ciclo Europa (NEDC New European Driving Cycle) Ciclo extraurbano 74 Página 1

2 3.4.3 Ciclo Artemis Estrategias y modos de funcionamiento Modo eléctrico Modo híbrido Ventajas y desventajas de cada estrategia Posibles escenarios y acciones a realizar Situaciones y escenarios de uso Dimensiones de las baterías Estudio Económico Definición de costes Estimación de costes Posibles fuentes de retorno 94 Capítulo 4 Análisis de resultados 4-1 Contexto y análisis de los resultados Verificación del sistema Estudio para determinar la energía óptima 103 Capítulo 5 Conclusiones y desarrollos futuros 5-1 Conclusiones Conclusiones de carácter general Conclusiones especificas para la simulación de vehículos híbridos en serie Desarrollos futuros 117 Capítulo 6 Bibliografía 119 Capítulo 7. Anexos 127 Página 2

3 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO Página 3

4 1-1. PLANTEAMIENTO La sociedad se enfrenta actualmente a problemas e innovaciones que día a día son considerados más importantes para el futuro colectivo. Uno de los principales es el uso eficiente y sostenible de los recursos. La industria automovilística se ve particularmente afectada por una gama principal de tales problemas y, en consonancia, lleva tiempo trabajando para encontrar soluciones satisfactorias. Son las cuestiones que se refieren al consumo energético y la contaminación. La investigación y el diseño de vehículos más eficientes forman parte de las respuestas satisfactorias anheladas. Este esfuerzo ha crecido de un modo decisivo en la última década, y se espera que sea aun más intenso en los próximos decenios. La presión regulatoria establecida por los gobiernos occidentales y la que ejercen los propios usuarios, que cada vez toman más conciencia del problema socioeconómico y de los graves riesgos medio ambientales a que se exponen, agilizará el avance tecnológico en esta parcela de la técnica. Es de especial relevancia el problema de la movilidad urbana, donde los vehículos, tanto los destinados al uso privado como los que atienden el transporte público, verán restringido su uso y sus emisiones contaminantes. Hoy en día, ya existen cascos urbanos, ciudades o áreas metropolitanas, como Londres, donde se limita la circulación a ciertos tipos de vehículos, en función de sus emisiones contaminantes. En otras ciudades, como París, se ha hecho pública la determinación de sus gobernantes de implantar zonas dónde sólo podrán circular vehículos libres de emisiones, desde el año Incluso existe amplio margen de incertidumbre, en bastantes de las urbes principales del mundo occidental, sobre el sentido drástico que tengan los cambios en las regulaciones establecidas por los respectivos gobiernos. De lo que nadie duda es que tarde o temprano los vehículos habrán de adaptarse. Por qué los gobiernos quieren restringir las emisiones producidas por los vehículos? Por razones de calidad de vida y ambientales. Las emisiones de CO 2 tienen consecuencias nocivas que se plasman en el llamado efecto invernadero. [LOPE07] Las emisiones de partículas producen problemas respiratorios en los seres humanos; sobre todo los diesel, que están más extendidos en Europa que América, y de un modo singular en España, donde la proporción de vehículos que funcionan con gasoil es mayor que en el resto de los países de Europa occidental. También las emisiones de NO x generadas por los automóviles inciden en el medio ambiente y crean otros problemas sanitarios. Una segunda razón que impulsa la actuación de los gobiernos, y les obliga o anima a reaccionar, en las políticas de los transportes y de los vehículos empleados, es la Página 4

5 dependencia energética, creciente con el tiempo en las sociedades occidentales o avanzadas. Cada vez que aumenta el precio del petróleo, o surgen problemas políticos o sociales en los principales países productores, se plantea la necesidad de revisar las condiciones de la movilidad y los vehículos empleados. Así ha sido siempre que se ha producido una crisis energética. Además, incide en esta necesidad de reducir la dependencia respecto a los derivados petrolíferos, que afectar a la independencia nacional, a modo de autonomía en el diseño de las políticas propias de cada Estado. Ese es el caso de España, que depende en gran medida de estos recursos, para la satisfacción de sus necesidades energéticas y el consumo de su parque automovilístico. A ello se añade la presión por parte de los usuarios, en búsqueda de vehículos cada vez más verdes, que está cobrando mucha fuerza en los llamados países más avanzados, resultando particularmente llamativo el caso de la demanda de los compradores de nuevos coches en Japón, donde incluso el híbrido Toyota Prius es ya el más vendido dentro del segmento de los modelos de berlinas medias. El interés mayor que existe en ese país por este tipo de asuntos tiene mucho que ver con la sensibilidad de aquella sociedad por los problemas ambientales y de calidad de vida. Los vehículos eléctricos no constituyen una novedad en nuestros días. [WIKI11] Ya existían hace más de cien años. En la Exposición Universal de 1900, Ferdinand Porsche presentó un automóvil eléctrico que había diseñado con motivo de aquel destacado acontecimiento. Aunque el primer impulso de este tipo de vehículos, como alternativos a los coches de gasolina convencionales, tuvo lugar con la crisis del año 73. Posteriormente, el precio de petróleo bajó y decayó el interés por estas tecnologías. Sin embargo, hace aproximadamente un decenio y medio ha vuelto a recobrarse el interés por ellas a causa de la preocupación creciente que existe por las emisiones contaminantes. Para encontrar soluciones satisfactorias a este tipo de problemas, los híbridos se presentan a medio plazo como la solución más viable, y, entre ellos, los de configuración serie, que también son denominados vehículos eléctricos de rango Página 5

6 extendible, y que se perfilan como los más adecuados, por sus características de uso, especialmente adaptadas a la conducción urbana. [EHSA10] Su mayor simplicidad de desarrollo y producción, añadida a la circunstancia de que permiten un mayor rango de conducción en modo de cero emisiones locales, son otos datos adicionales que los sitúan en una posición más ventajosa ante otras opciones. Crisis energéticas como la sufrida a principios de 2011 hacen, además, que dichos vehículos no sólo resulten interesantes desde el punto de vista ambiental, sino también económico, y los hagan más atractivos a pesar de que su precio inicial de adquisición sea algo superior. Esto, unido a los grandes avances que se están produciendo en los últimos años en el campo del almacenamiento de energía mediante baterías, a raíz de las sinergias con otras industrias como los teléfonos móviles y dispositivos informáticos, permitirá que, en un periodo de tiempo no excesivamente largo, se puedan encontrar vehículos con unos precios y autonomías aceptables por el usuario LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS Un vehículo híbrido es aquel que combina un motor de combustión interna y otro eléctrico para desplazar el vehículo, aunque no necesariamente han de actuar los dos conjuntamente para la propulsión del mismo. La energía que alimenta el o los motores eléctricos es almacenada o bien de forma química (es decir mediante baterías) o bien de forma mecánica (mediante un volante de inercia), e incluso de forma hidráulica, aunque este último método es rara vez ha sido aplicado a vehículos de uso no experimental. El objetivo principal de estos vehículos es la reducción del consumo, tanto de combustibles fósiles como energético en general, y de las emisiones contaminantes, sin perder prestaciones, por ejemplo, aceleración y habitabilidad. Por lo general, un vehículo híbrido se compone [LOE10], [MILE04], al menos, de: - Un motor de combustión interna. - Uno o más motores eléctricos. - Un elemento de almacenamiento de energía (unas baterías o un volante de inercia). Página 6

7 Un inversor que conecta la batería con el motor eléctrico (si este es trifásico) o un elemento de transmisión como un CVT (transmisión variable continua) en el caso de usarse un volante de inercia. Una de las principales características de los vehículos híbridos es que aprovechan un porcentaje mucho mayor de energía de la que generan que los vehículos convencionales de gasolina. Un 30% frente a un 19%. Ello lo consiguen mediante las baterías que almacenan energía y son la causa de esta eficiencia mayor. Muchos sistemas híbridos reutilizan energía, como puede ser la energía cinética convirtiéndola en energía eléctrica gracias a los llamados frenos regenerativos. En tramos cortos, los vehículos híbridos tienen un rendimiento superior al de los vehículos convencionales. En zonas donde el tráfico es denso, ciudad o área metropolitana congestionada, los vehículos híbridos tienen un consumo de combustible menor y unas emisiones contaminantes más reducidas. Los vehículos híbridos, de entrada, presentan en la actualidad algunos inconvenientes o desventajas, que resultan obvios, al menos a priori. En ellos hay menos espacio de carga a causa del volumen ocupado por las baterías. Tienen un peso mayor, porque hay que sumar el adicional del motor eléctrico, y, sobre todo, las baterías. Se necesita un incremento en la energía para desplazarlo, por consiguiente. También es mayor su coste, por el momento. Además, añaden complejidad a los vehículos convencionales de gasolina o de diesel, que dificultan las revisiones y las reparaciones que tengan que efectuarse a lo largo de su vida útil. No puede dejar de mencionarse así mismo, la necesidad que, por el momento, generan de utilización de materias primas que son escasas (como pueden ser el neodimio y el lantano). Si tiene desventajas, a priori, también se adivinan los numerosos datos favorables o beneficios que pueden aportar los vehículos híbridos a corto plazo. Son más agradables de conducir, porque los motores eléctricos dan más fuerza o dicho con precisión, más par a bajo régimen de revoluciones y su comportamiento es más lineal. Tienen mayor eficiencia en el uso del combustible, con el valor positivo que ello significa y que se ha enumerado en el apartado anterior. Página 7

8 Sobre algunos aspectos relacionados con este asunto versan los puntos que son abordados en este proyecto. Permiten una reducción de las emisiones contaminantes notable, su respuesta es más inmediata y generan menos ruido que un motor térmico. También puede citarse la posibilidad de recuperación de energía en las desaceleraciones. Si se compara un vehículo híbrido con un vehículo eléctrico simple se puede destacar que el primero tiene mayor autonomía y una recarga más rápida. En recorridos cortos, el vehículo híbrido puede funcionar sin usar el motor térmico, con lo que se evita que trabaje en frio y se disminuye el desgaste. [BUBN10] En el año 2009 ya circulaban más de 2,5 millones de vehículos híbridos en el mundo. La mayoría lo hacía en Estados Unidos, donde la cifra de tales automóviles supera los 1,6 millones, seguido de Japón con casi 700 mil y Europa que se aproxima al cuarto de millón. Toyota, Honda y Ford han sido hasta el momento presente los fabricantes principales. Los vehículos híbridos pueden ser de dos tipos en serie y en paralelo, [MECA10]. Los vehículos híbridos en serie son aquellos en los que sólo la parte eléctrica da tracción y el motor térmico se utiliza para generar energía, mientras que en los vehículos híbridos en paralelo tanto la parte eléctrica como la térmica puede hacer girar las ruedas. En la configuración en serie, [LOPE10], un conversor de energía proporciona potencia propulsiva, y no existe conexión mecánica entre el motor de combustión y las ruedas. La configuración en serie se muestra en la figura que sigue: Página 8

9 Figura 1 Configuración en serie. [LOPE10] En los híbridos en serie el motor térmico impulsa un generador eléctrico, que recarga la batería, y alimenta al motor o motores eléctricos y estos son los que impulsan al vehículo. La batería se dimensiona en función de los picos de demanda. De esta forma, sólo una parte de la energía proviene de las baterías, que suministran la potencia necesaria para aceleraciones y adelantamientos, mientras en régimen estacionario la potencia generada en exceso sirve para recargarlas. El vehículo híbrido en paralelo es aquél en el que hay más de una fuente de energía que genera potencia propulsiva. Es más complejo que el híbrido en serie, pero ahorra las perdidas energéticas correspondientes a los procesos de conversión de la energía mecánica en eléctrica. El motor térmico y el motor eléctrico se configuran en paralelo, y se utiliza un acoplamiento mecánico que combina ambas fuentes de energía. El esquema de la configuración en paralelo se refleja en la figura siguiente: Figura 2 Configuración en paralelo. [LOPE10] Página 9

10 Los vehículos híbridos en serie están mejor adaptados al uso urbano. Los vehículos híbridos en paralelo son mejores si el automóvil se desplaza fuera del área metropolitana. La razón de esta distinción estriba en que si los desplazamientos son cortos y reiterados el vehículo híbrido en paralelo se comportará fundamentalmente como si el motor eléctrico actuase el mayor tiempo. Ello lleva a la dificultad básica de esta innovación tecnológica, que radica en la autonomía de las baterías, con lo que se limita la utilidad de los vehículos híbridos en paralelo frente a los vehículos híbridos en serie en las ciudades. El esquema del híbrido en paralelo se muestra en la figura siguiente: Figura 3. Esquema Híbrido en paralelo. [MECA10] 1-3. LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS EN SERIE En los vehículos híbridos en serie el encargado de la propulsión del vehículo es exclusivamente el motor (o los motores) eléctrico. Sin embargo, a diferencia de un vehículo eléctrico puro, la energía que lo alimenta no proviene exclusivamente de una batería recargada por la red, sino que dicha batería es recargada parcial o completamente mediante un pequeño motor térmico. Dicho motor de combustión se encuentra acoplado, bien directamente o bien mediante una reductora, a un generador eléctrico (generalmente síncrono) que es el encargado de transformar la potencia mecánica en el eje a potencia eléctrica que cargará la batería. Página 10

11 Figura 4.Ref: [MECA10] Sin embargo, el funcionamiento de dicho conjunto motor térmico-generador eléctrico no es continuo y, de hecho, se procura que su tiempo de funcionamiento sea el menor posible, tanto para que se minimice el uso de combustible fósil y emisiones locales como para que se reduzca la contaminación acústica, en especial durante su funcionamiento urbano. Se han desarrollado dos maneras principales para la gestión del tiempo y del modo de funcionamiento de dicho conjunto: modo termostato y modo chargesustaining. La primera de ellas consiste en accionar el conjunto cuando se alcanza un valor de carga de la batería mínimo prefijado y desactivarlo cuando se supera el valor máximo prefijado, en clara analogía con un simple sistema de termostato que se puede encontrar, por ejemplo, en un sistema de calefacción, [CHAC10]. El motor térmico funciona en un rango del mapa motor muy pequeño, lo más cerca posible de la zona de máxima eficiencia, puede incluso que funcione exclusivamente en el polo económico; de este modo, el conjunto no se ve directamente afectado por los requerimientos de uso que genere el conductor. La segunda, por el contrario, trata de adaptar el funcionamiento del conjunto a las demandas temporales de potencia, de manera que el estado de carga de la batería se mantenga lo más homogéneo posible. Esto supone que, en muchas ocasiones, el conjunto se ve obligado a funcionar en un rango muy amplio, y alejado de los puntos que a priori dan una mayor eficiencia. Los efectos provocados por cada modo de funcionamiento, así como las ventajas y desventajas de cada estrategia, se explicarán más en detalle en el apartado de estrategias de control, dentro del Capítulo 3. Página 11

12 La existencia del conjunto motor térmico-generador eléctrico permite ya sea la reducción del tamaño de las baterías necesarias, ya sea extensión, en gran medida, de la autonomía de funcionamiento del vehículo. En la actualidad, un vehículo eléctrico, para una homologación con ciclo Europa, es capaz de realizar entre 100 y 150 kilómetros, mientras que un híbrido en serie puede multiplicar esa cifra por más de cuatro veces; por ejemplo, el Opel Ampera tiene una autonomía de 570 kilómetros, de los cuales 60 son en modo puramente eléctrico. Dada su naturaleza, los vehículos híbridos en serie, muchas veces, se denominan eléctricos de rango extendido, y en la mayor parte de los usos que le dé el conductor el vehículo no requerirá la activación del conjunto motor-generador, funcionando de facto como un vehículo eléctrico. La experiencia muestra calcula que el 80% por ciento de los conductores europeos no realiza más de 60 kilómetros al día. Por tanto, el accionamiento del motorgenerador quedará reservado para cuando el usuario desee realizar un viaje largo por autopista. Otra ventaja destacable es que elimina uno de los principales inconvenientes de los vehículos eléctricos puros: la ansiedad por falta de autonomía, Se ha de observar que no sólo la autonomía total es mayor, sino que la capacidad de baterías usada es menor, lo que contribuye sobre todo a que se reduzca sustancialmente el coste del vehículo, pues las baterías son, a día de hoy, el mayor factor en el coste. Así se espera que siga siendo, al menos durante la siguiente década, hasta que los avances tecnológicos y, en especial, la producción en masa de tales vehículos lo reduzcan a una cuantía más asequible, [WEST07], [BESE10]. Hay otro dato adicional que debe valorarse es que, además, se reduce el peso, con lo que redunda en mejores prestaciones y menor consumo. El control de los híbridos en serie resulta de menor complejidad que otras configuraciones, pues tan solo se trata de fijar el punto de funcionamiento del conjunto motor-generador para obtener una recarga satisfactoria y eficiente de la batería. La propulsión no requiere un control complejo que sí que se necesitaría en un híbrido en paralelo (que requeriría gestionar de qué forma se combinan los motores eléctricos y de combustión). Esto permite ocuparse tan sólo de definir la estrategia más adecuada del conjunto motor-generador; lo cual, para unos recursos limitados, permite obtener una mayor optimización. Otro factor clave es el menor tamaño y la complejidad inferior del motor térmico que se usa. Página 12

13 Dado que el motor de combustión no es directamente responsable de impulsar al vehículo, su potencia puede estar desligada de la potencia instantánea requerida por el usuario. Por ello, el vehículo no se ve obligado a tener que cubrir los picos de demanda, sino que puede bastar con que satisfaga la potencia media requerida, lo cual implica dos importantes ventajas que reducen su complejidad y coste. Una es que el motor no necesita ser dimensionado para una potencia tan elevada y, al tener un funcionamiento mucho más homogéneo, no requiere una arquitectura tan compleja (de este modo, por ejemplo, no es necesario el uso de un sistema de admisión y escape variable) y no se han de realizar compromisos en el diseño para que el motor funcionase satisfactoriamente tanto a bajas como a altas revoluciones. La otra ventaja se refiere al hecho de que, al contar inicialmente la batería con un cierto nivel de carga, el motor térmico incluso no llega a necesitar, hipotéticamente, el valor de la media de la potencia requerida, pues ya cuenta con un cierto respaldo energético. Por el contrario, el motor eléctrico encargado de la impulsión del vehículo ha de ser dimensionado para una potencia mucho mayor, pues es el único responsable de transmitir la potencia a las ruedas. Resulta necesario el uso de un rectificador (encargado de convertir la potencia trifásica, proveniente del conjunto motor generador, a continua, que es en la que trabaja la batería) y de un inversor, que actúa de puente entre la batería y el motor eléctrico de propulsión. En este caso, si se desea hacer uso de la frenada regenerativa, el inversor ha de ser bidireccional. Un factor adicional que contribuye a hacer que los híbridos en serie sean interesantes, en especial como vehículos urbanos, es la eliminación de la necesidad de una caja de cambios convencional. Esto es debido a la mayor elasticidad de los motores eléctricos frente a los motores de combustión. Los vehículos híbridos en serie son capaces de dar considerable par prácticamente desde parado y hasta un régimen de revoluciones más elevado. Con ello se consigue eliminar una fuente de pérdidas, además de reducir el coste, el peso y el volumen empleados. Tan sólo requiere una reductora para adecuarse al régimen de giro que se desea en las ruedas. En caso de optar por los wheel hub motor (motores instalados en rueda) también desaparece la necesidad de instalar un diferencial. Un problema que presenta ésta configuración de vehículo es que la energía proveniente del combustible fósil sufre una serie de conversiones que reducen la eficiencia global. La energía mecánica en el eje del motor térmico ha de ser Página 13

14 convertida en eléctrica en el generador eléctrico, con las consecuentes pérdidas de eficiencia, aunque no son afortunadamente muy grandes. Posteriormente, la energía será almacenada en la batería, con las consiguientes pérdidas al convertirse en energía química, y viceversa al cargarse y descargarse, o bien será enviada directamente al motor eléctrico motriz, para lo cual ha de atravesar el inversor y, luego, convertida en energía mecánica en la rueda. La sucesión de transformaciones mencionadas ponen en clara desventaja al vehículo híbrido en serie respecto al proceso del flujo de energía en un híbrido paralelo, que es más directo y sufre, en definitiva, unas pérdidas intermedias menores. En definitiva los vehículos híbridos en serie resultan más adecuados para un uso urbano, en el que se van a producir frecuentes variaciones de velocidad, arranques y paradas VEHÍCULOS HÍBRIDOS EN SERIE EXISTENTES El número de modelos híbridos en serie a la venta es aún reducido en la actualidad, [USDE09]. Sin embargo, pueden mencionarse los siguientes: -El Opel Ampera/Chevrolet Volt, que fue puesto a la venta a finales de Este vehículo es realmente el primer eléctrico enchufable de rango extensible que se comercializa a gran escala. Se trata de una berlina de tamaño medio y cuenta con Figura 5. El Opel Ampera un motor eléctrico propulsor de 111 KW y 368 Nm, y otro motor de combustión de 64 KW y 1,4 litros de cilindrada. La autonomía en modo puramente eléctrico alcanza, mediante homologación con ciclo Europa (NEDC), los 60 kilómetros, que según estudios de la marca es suficiente para las necesidades diarias del 80% de los usuarios. Esta la consigue gracias a unas baterías de 16 Kwh. de capacidad que Página 14

15 pesan 198 Kg., y están diseñadas con forma de T para adaptarse de la mejor forma posible a la zona inferior del chasis. Figura 6. Batería del Opel Ampera Su autonomía total, gracias al respaldo del generador térmico, supera los 500 kilómetros, obtenida con un depósito de tan sólo 35 Kg., permitiendo que si el usuario decide realizar un largo viaje no se vea limitado por los largos tiempos de recarga de los vehículos eléctricos puros. No obstante, el peso del conjunto se eleva hasta 1715 Kg., unos doscientos a trescientos más que un vehículo convencional equivalente, en buena parte a causa de las baterías y del incremento de la complejidad de la configuración. Elevado es también su precio, que en España se estima alcanza aproximadamente, sin descontar las subvenciones gubernamentales, los Se espera que, con funcionamiento eléctrico, su coste de operación sea de 2,6 céntimos/km., lo cual representa cuatro veces menos que un vehículo de gasolina convencional. Cuando se encuentra en modo de extensión de rango, el consumo medio es ligeramente inferior a los 7 litros. -El BMW i3 que, aunque aún no se ha comercializado, se encuentra en un avanzado estado de desarrollo, y será puesto a la venta a comienzos de El motor eléctrico encargado de propulsar al vehículo contará con una alta potencia, dado que se trata de un vehículo urbano de pequeñas dimensiones, superando los 100 KW y las rpm, estará acoplado a las ruedas traseras. Le prestará gran atención a la frenada de tipo regenerativa, con un aumento de la Página 15

16 Figura 7. El BMW i3 autonomía hasta un 20%. Para la mejora de las prestaciones y la disminución del consumo, la plataforma usada cuenta con un diseño radical, hasta ahora nuevo, en los coches de calle: la parte inferior de la estructura es llamada DriveModule y está formada por un chasis de aluminio, mientras que la parte superior es el LifeModule y está construida a partir de CFRP (Carbon-Fiber Reinforced Polymer). En la Figura 8 se muestra la arquitectura usada. El DriveModule es el encargado de cumplir las funciones básicas de resistencia ante un impacto, así como de albergar las baterías de una forma especialmente integrada y dar rigidez al vehículo para una conducción deportiva. El LifeModule sirve no sólo como carrocería, sino que también actúa para la mejora de la resistencia ante un impacto. Será el primero en su clase que use un derivado de la fibra de carbono para producción en masa, reduciendo así su elevado coste. Este diseño estructural permite un ahorro considerable de peso, de 340kg, respecto a un vehículo equivalente que usase un chasis convencional de acero, y una flexibilidad muy superior a la hora de mejorar la habitabilidad interior. Figura 8. Arquitectura del BMW i3. Página 16

17 Está previsto que se vendan dos versiones del vehículo: una puramente eléctrica y otra con configuración híbrida de serie. Esta segunda contará con un generador encargado de extender el rango de uso, que será un motor bicilíndrico turboalimentado, desarrollado a partir del know-how de BMW Motorrad (que es la división de motocicletas de la marca bávara), muy compacto pero altamente eficiente. Se espera que el precio de venta de la versión puramente eléctrica supere los euros, por lo que para, y evitar que ello merme su difusión, también el constructor está valorando su comercialización mediante leasing, que podría hacerlo más atractivo para los potenciales clientes MOTIVACIÓN DEL PROYECTO El objetivo de este proyecto es contribuir al avance del uso inteligente de la energía por parte de estos vehículos, en especial en su fase de diseño y desarrollo. Con semejante objetivo, en el trabajo que aquí se recoge como Proyecto Fin de Carrera, se ha procedido en primer lugar al estudio de las tecnologías existentes de propulsión híbrida, y al análisis de los métodos de ensayo para su homologación. Los objetivos principales de Proyecto Fin de Carrera son los siguientes: 1. Se pretende modelizar un vehículo híbrido en serie. Aunque en el Instituto Universitario de Investigación del Automóvil (INSIA) de la Universidad Politécnica de Madrid ya existía un modelo, el que aquí se ha elaborado es diferente. 2. En este Proyecto Fin de Carrera el modelo desarrollado pretende modelizar por componentes, de modo que estas se puedan ver de un modo más físico; por ejemplo, que los cables sean reales. La razón de semejante planteamiento estriba en el deseo de realizar comparaciones con las medidas de ensayos reales (obtenidas en bancos de pruebas o en laboratorios), con los resultados producidos con el modelo. 3. Analizar la adaptabilidad del modelo a nuevas técnicas de ensayo. En el capitulo dos se presenta de modo detallado el Hardware-in-the-loop Simulation (HILS) que se emplea de manera sistemática en el modelo descrito en el capitulo tres para la combinación de una simulación parcial del conjunto. De esta manera, se combinaran resultados provenientes de ensayos físico y otro obtenidos en la simulación en el ordenador. Página 17

18 4. Evaluar las diferentes estrategias de control energético. Se trata de dar una respuesta optima a cuestiones referidas a cuándo se utiliza la batería cuándo se carga por medio de un conjunto motor térmico-generados eléctrico y cuándo con el uso. 5. Dimensionamiento de los elementos integrantes en el conjunto, tales como el motor térmico-generador eléctrico y las baterías. El proyecto se ha realizado en las instalaciones del Instituto Universitario de Investigación del Automóvil (INSIA) dentro del proyecto TECMUSA. El Instituto realiza sus investigaciones bajo la dirección del profesor Francisco Aparicio, director y del profesor José María López, subdirector. El proyecto TECMUSA, denominación abreviada de tecnologías para la Movilidad Urbana Sostenible y Accesible, es un proyecto liderado por el INSIA en el que colaboran diversas empresas y universidades. El objetivo general del proyecto consiste en el desarrollo, experimentación en plataformas de vehículos eléctricos e híbridos de un conjunto de tecnologías asociadas a dicho vehículos y combustibles de última generación, orientado a un diseño de vehículos de transportes urbanos eficientes energéticamente y respetuosos con el medio ambiente. Este Proyecto de Fin de Carrera está dirigido por el profesor José María López. Dentro de la misma línea de investigación y desarrollo tecnológico hay otros proyectos análogos. En especial se puede mencionar otro proyecto que se ocupa de la modelización más en detalle de un motor eléctrico para la tracción de vehículo y otro que está encaminado a la formulación matemática de diversos procesos de optimización de este campo. Los diversos elementos necesarios para la simulación como son los ordenadores y equipamiento informático auxiliar y los programas de simulación numérica han sido materiales suministrados por el INSIA en particular, deben citarse aquí el SIMULINK/MADLAP que constituye una potente y delicada herramienta para los diseños conducentes a los procesos de simulación y a la obtención de los resultados presentados en los capítulos tres y cuatro de esta memoria. De cuanto se ha explicado en las páginas anteriores, parece conveniente que se haga ahora una cierta reflexión sobre por qué es necesario optimizar el dimensionamiento de las baterías y los motores. La batería es el asunto crucial. La batería constituye el elemento clave en cuanto se evalúa el coste de un vehículo híbrido. Página 18

19 La razón de que el coste de la batería es el punto crucial del proceso, a la hora de su expansión comercial y uso eficiente, se debe a diversas circunstancias tecnológicas y temporales. La tecnología en la que se sustenta este componente aun no está suficientemente madura y no existe una producción masiva de la misma, como ocurre con otro tipos de baterías, que haya inducido o facilitado el desarrollo tecnológico necesario. De modo simplificado el ideal de una batería para vehículos eléctricos o híbridos se puede entender como cuanta más capacidad de energía almacenada mejor, y cuanto menor coste mejor. Se ha de conseguir que la batería tenga el menor peso posible. Ello redunda en más prestaciones: o sea, menor volumen equivale a más espacio para los pasajeros. Los requerimientos básicos en este ámbito tecnológico se sintetizan en las magnitudes del coste, el peso y el volumen. Con el modelo y los resultados en este Proyecto Fin de Carrera se buscan beneficios concretos. Si se dispone de un buen modelo, se puede simular antes de haber construido ninguna pieza. Es decir se pueden probar factores y verificar el efecto de cada uno. A ello se ha orientado el trabajo de varios meses recogidos en esta memoria. Además, el modelo da una base muy amplia para muchos usos. Las estrategias de gestión energética en el vehículo híbrido en serie serán una u otra según cuál es la prioridad que se adopte, y se recogen en este Proyecto. Una prioridad puede ser el menor consumo de gasolina, otra prioridad seria el menor consumo energético global, otra el tamaño de las baterías y otra, finalmente, el tamaño del motor eléctrico. La incorporación de motores eléctricos en particular en los vehículos híbridos, constituye un aporte importante en una sociedad que de modo creciente desea fundarse en un proyecto económico sostenible. El avance que representa, o que puede representar en mayor medida en un futuro a corto plazo, la incorporación de vehículos híbridos, se basa en la superación de las limitaciones tecnológicas actuales de este tipo de automóviles. Las ventajas de menor dependencia energética y de inferior impacto ambiental, por la reducción de la contaminación, justifican que los centros de investigación universitarios de tipo tecnológico se ocupen de manera creciente del tema. Es en ese marco donde se desarrolló este Proyecto Fin de Carrera. Página 19

20 En grandes ciudades, como es el caso de Madrid o Barcelona, se ha iniciado programas de limitación de acceso a cualquier parte del centro de las mismas a todo tipo de vehículos. Más aún, a no tardar mucho, habrá barreras legislativas que limiten el acceso a la ciudad únicamente a los vehículos menos contaminantes o a vehículos de emisiones cero. Incluso, ya son varios los países en los que existen incentivos y subvenciones para el desarrollo y la adquisición de este tipo de vehículos. El desarrollo de este proyecto, como es habitual, va de lo general a lo concreto. Tras este primer capítulo en el que se han expuesto las ideas generales sobre los vehículos híbridos, sus tipos, sus ventajas y sus inconvenientes, se aborda en el segundo capítulo la herramienta de trabajo esencial para la obtención de resultados en la modelización que se realiza. Se trata de la simulación. Más concretamente de la simulación que podría denominarse mixta, donde una parte del vehículo se representa a través del modelo matemático-técnico-informático y la otra se basa en la configuración real. Centrado el problema y el procedimiento para abordarlo en el Capitulo 3, que constituye el núcleo fundamental de esta memoria, se diseña el modelo que se va a emplear para la simulación de los vehículos híbridos en serie. Es un modelo completo, desde los elementos de propulsión hasta las fuerzas que afectan a su avance, con un enfoque distinto a los modelos existentes, y que permite la posibilidad de adoptarlo a técnicas de ensayo como la citada Hardware in-the-loop Simulation. El modelo busca el dimensionado de los elementos, y, de manera especial, motor térmico generador eléctrico. El punto de partida del diseño se halla en el modo en el que representa la forma en que se atienden las necesidades del conductor. Para ello se estudian los ciclos adecuados y la dinámica del vehículo. Se utilizan los ciclos Europa (NEDC New European Driving Cycle), Extraurbano y Artemis. A continuación, se tienen en cuenta las estrategias y modos de funcionamiento. Tras el establecimiento del modelo, se desarrollan los algoritmos, se incorporan los datos empleados y los resultados de la implantación numérica. Se concluye el trabajo con el análisis e interpretación de los resultados obtenidos, los criterios de validación y las conclusiones oportunas. Además, se incorpora una bibliografía que ha sido seleccionada de modo sucinto y atendiendo al alcance especifico de este proyecto. Página 20

21 Capítulo 2 DESCRIPCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS Página 21

22 2-1. LA SIMULACION DE UN SISTEMA El uso de la simulación como metodología de trabajo es una actividad muy antigua, y podría decirse que inherente al proceso de aprendizaje del ser humano. Para poder comprender la realidad y toda la complejidad que un sistema puede conllevar, ha sido necesario construir artificialmente objetos y experimentar con ellos dinámicamente antes de interactuar con el sistema real. En el último siglo se ha desarrollado un nuevo concepto de simulación. La simulación computacional, que es una técnica numérica consistente en la realización de experimentos empleando diversos elementos de programación, cual es la algoritmia. La simulación por ordenador se ha convertido en una pieza esencial para el avance de muchas disciplinas científicas, como la física, la química, la biología y de una manera principal se ha extendido su uso a numerosos campos específicos de la tecnología. También se ha llegado a popularizar el empleo de la simulación en las investigaciones en ámbitos de las ciencias sociales, como es conocido que ocurre con la economía, o las disciplinas humanísticas, permitiendo controlar todos los parámetros que describen sistema de lo más variado, con eficacia y un coste económico muy reducido. Es inherente a la simulación la elaboración de un modelo que recoge las características de interés que rigen el sistema, cuyo comportamiento que desea estudiar. Existen muchos tipos de modelos (modelos físicos, modelos mentales, modelos simbólicos) para representar los sistemas objetos de análisis. Su complejidad los aproximará más a la realidad, a la vez que dificultarán los procesos informáticos y de cálculo numérico consiguientes. Con frecuencia, la elección entre varios modelos, con niveles distintos de sofisticación constituye una las decisiones más difíciles y críticas en un proyecto de tipo científico o de desarrollo tecnológico. Los modelos simbólicos matemáticos representan las relaciones existentes entre las propiedades físicas del sistema que se pretende modelar en las correspondientes estructuras matemáticas. El tipo de formalización matemática que se utiliza depende de las características intrínsecas que se quieran representar. Página 22

23 La descripción en términos matemáticos de un sistema real no es una metodología de trabajo propia de la simulación digital, sino que es inherente a la mayoría de las técnicas que se utilizan para resolver cualquier problema, las cuales suelen seguir unas pautas que, de modo general, se pueden resumir en: -Reconocimiento del problema. -Formulación del modelo matemático e informático. -Solución del problema matemático mediante el desarrollo de los correspondientes algoritmos. -Interpretación de los resultados numéricos obtenidos, en el contexto del problema real. Un modelo tiene que ser, por necesidad, una cierta forma de compromiso entre la simplicidad que haga un uso razonable de los medios informáticos y la necesidad de recoger suficientemente todos los aspectos esenciales o básicos del sistema en estudio. Basándose en este nuevo concepto del modelo del sistema y el tipo de variables necesarias para describir el sistema, se tienen diversos tipos de simulación: Pueden clasificarse los diferentes tipos de simulación basándose en el grado de incertidumbre de un modelo. Una simulación se denomina determinista si un nuevo estado del sistema puede ser completamente definido a partir del estado previo y de los datos o valores de las variables definidas como entradas. Es decir, ofrece un único conjunto de valores de salida para un conjunto de entradas conocidas. Mientras que, por el contrario, la simulación estocástica requieren de una o más variables aleatorias para formalizar las dinámicas de interés. En consecuencia, el modelo no genera un único conjunto de salidas cuando es utilizado para realizar un experimento, sino que los resultados son utilizados para estimar el comportamiento real del sistema LAS TÉCNICAS DE SIMULACIÓN DE VEHÍCULOS HÍBRIDOS A la hora de desarrollar un vehículo, resulta de gran utilidad realizar estimaciones previas a la producción del mismo, para analizar el efecto de ciertos factores o variables del diseño, o efectuar valoraciones, por ejemplo, de su consumo energético. A tal fin atienden los procesos de simulación. Página 23

24 Existen gran variedad de tipos de simulación, y rara vez uno de ellos se muestra claramente superior a los otros. La elección de un tipo concreto de simulación depende finalmente de los requisitos que se marquen (por ejemplo de la precisión que se necesiten en los resultados obtenidos) y de los recursos que se puedan destinar a los cálculos o experimentaciones con equipamientos informáticos. [PERE09] Más allá de los ensayos realizados con prototipos o en banco de rodillos, se pueden llevar a cabo simulaciones informáticas, tanto puras (es decir toda la simulación es llevada a cabo en un equipo informático) como mixtas. [GELL10]. Las primeras pueden se realizan mediante software desarrollado por la propia empresa o bien usando un software comercial, como es el caso del Matlab/Simulink empleado en este proyecto. El hardware en el que son implementadas puede variar, según los requerimientos que determinen la complejidad de los cálculos a realizar o ecuaciones a resolver, desde un simple PC hasta un denominado supercomputador, o una serie de equipos electrónicos. Las simulaciones denominadas mixtas implican, además, el uso de componentes o partes de equipos reales y de simulaciones parciales que son confrontadas con datos reales. A continuación, se explican con más detalle las diferentes técnicas empleadas en el proyecto para las simulaciones de vehículos híbridos, en especial la innovadora y relativamente reciente simulación de tipo mixto Hardware in-the-loop Simulation LA TÉCNICA DENOMINADA HARDWARE IN-THE-LOOP SIMULATION El llamado Hardware-in-the-loop Simulation (HILS) es una técnica, o herramienta, para el modelado o la validación de sistemas que se deseen diseñar, y que se encuentran en rápida expansión, debido a la reducción de costes y tiempo de desarrollo que permite. El HILS responde a la necesidad de probar ciertos elementos del producto antes de su construcción -de una forma económica- y que permita mayor rigor y Página 24

25 consistencia en los ensayos. Esto es especialmente útil en el desarrollo de los vehículos híbridos, dada su intrínseca complejidad. Las simulaciones HILS constan de una parte física (hardware), que es la que deseamos testar o validar, y de un modelo (realizado en un ordenador mediante un software adecuado) que reproduce una realidad física. Ambos elementos se encuentran interconectados, siendo el objetivo del HILS la comprobación de la interacción entre ambos. En el dibujo inferior se puede ver, a grandes rasgos, el conjunto y sus interacciones, que, como se detallará más adelante, son más complejas y detalladas. Fig. 1 Diagrama de bloques resumido de un HILS (en LabVIEW). EEtimes.com. [EETI11] 2-4.LAS APLICACIONES DEL HILS Un caso que se da frecuentemente en el mundo de la automoción es que el hardware sea la ECU (centralita electrónica de control) y el resto del automóvil sea modelado por un software, por ejemplo Matlab-Simulink. La simulación HILS es un test dinámico en el que se representa el comportamiento bajo inputs/outputs de un sistema físico interactuando con la ECU en tiempo real. La ECU y el sistema físico modelado se encuentran en un bucle (normalmente cerrado). Este test se denomina dinámico porque los valores Página 25

26 de las señales de estímulo generadas por el simulador son función de la respuesta de la ECU a un ciclo previo, [TRIG07]. Un sistema HILS típico se compone de: 1- Un modelo matemático del vehículo o planta. 2- Modelos de los sensores. 3- Un ordenador de tiempo real con inputs/outputs. 4- Loads (cargas) reales o simuladas. 5- Matriz Fault insertion relay. 6- Una CPU remota (host CPU) con link de comunicación al ordenador de tiempo real (3) y un link de diagnóstico a la ECU. 7- Una aplicación de interfaz gráfico (GUI) para descargar y controlar el proceso de tiempo real. 8- Una aplicación de test automation para automatizar todos los aspectos del test. Se puede no sólo modelar el vehículo al completo sino también centrarse en un subsistema, por ejemplo el sistema antibloqueo de frenos (ABS). En este caso, la ECU recibe la información sobre diferentes variables como son la velocidad de rotación de cada rueda, la velocidad del vehículo, la posición del freno, así como otras variables necesarias para determinar la orden adecuada para el actuador de freno de cada rueda, con el fin de conseguir la máxima potencia de frenado sin llegar a bloquear la rueda. Si se tuviese que probar físicamente este sistema se requeriría la disponibilidad ya del vehículo y el uso de una pista; sin embargo, gracias al HILS, es posible probar la ECU de forma exhaustiva sin haber construido un vehículo completo. Otro ejemplo ilustrador de posibles aplicaciones de estas simulaciones se encuentra en el sistema de piloto automático de un avión. Este sistema se encarga de, a partir de las mediciones de distintas variables recibidas del exterior, mantener una velocidad y condiciones prefijadas. En concreto, y haciendo una serie de simplificaciones, se considera que el ordenador del piloto automático recibe como inputs el valor prefijado de la velocidad crucero deseada, la Página 26

27 velocidad del aire medida por tubos de pitot, la aceleración normal, el ángulo de cabeceo (pitch) y la tasa de variación de este ángulo. Después de procesar estos valores de entrada devuelve, como output, la inclinación del flap para simplificar ignoramos el control del impulso del motorque se encarga de corregir la inclinación del avión. Este proceso está esquematizado en la figura que sigue. Fig. 2 Esquema básico HILS de un piloto automático. EEtimes.com. [EETI11] En la siguiente figura se puede ver más en detalle de que se compone el modelo virtual y también como se podría añadir otro hardware entre el ordenador de piloto automático y el modelo, para simular el actuador del flap. Esto último permite ganar en cuanto al realismo del modelo, ya que, al fin y al cabo, los modelos son casi siempre simplificaciones de la realidad física ala que pretenden sustituir. Fig. 3 Esquema detallado HILS de un piloto automático. EEtimes.com. [EETI11] Página 27

28 También se puede observar que no ha de estar necesariamente el conjunto en bucle cerrado; el sistema puede tener inputs u outputs- provenientes del exterior. Estos parámetros pueden tener, como ocurre en el ejemplo anterior, un valor prefijado. EL software desarrollado en el HILS calcula cuál es la reacción del avión con esa inclinación del flap. Ello conlleva que ha de incluir un modelo físico (llamado en la figura como truth or physics model simulator ) gracias al cual conoce la masa del avión, el momento de inercia, y las características aerodinámicas; así como las ecuaciones de movimiento. Los resultados de esos cálculos -es decir los nuevos valores de velocidad, aceleración, cabeceo, y tasa de variación del cabeceo- son convertidas en señales analógicas y devueltas al ordenador integrado, es decir al ordenador de piloto automático. Aunque en este caso son señales analógicas también se podrían haber usado flujos de datos digitales. Hay que tener en cuenta que las señales han de tener valores contenidos dentro de unos rangos razonables y realistas. Por ejemplo, no sería razonable que la velocidad del avión durante el vuelo fuese negativa o que estuviese por encima de los 1000 m/s. En consecuencia, es importante desde un principio seleccionar un rango adecuado, de forma que posteriormente hagamos corresponder este rango físico al rango de señal, es decir al voltaje de una señal analógica. Esto implica además seleccionar una resolución. En la tabla inferior se indican los valores y rangos adoptados en nuestro ejemplo de piloto automático. Fig. 4 Rango de valores de inputs/outputs para un HILS de un piloto automático. EEtimes.com. [EETI11] Página 28

29 2-5. POR QUÉ USAR HILS? En este tiempo en el que se ha generalizado el uso de ordenadores por parte del ingeniero, la simulación se ha convertido en una herramienta muy utilizada y de una extraordinaria potencia. La simulación puede ser llevada a cabo directamente por el ingeniero que escribe un programa para simular el comportamiento de su producto, o bien utilizar un software comercial ya existente. En el caso mencionado anteriormente, el ingeniero de control encargado de diseñar el algoritmo de piloto automático puede bien simularlo en Matlab o usar un programa en C hecho a medida, que se ejecutará siempre mucho más rápidamente que lo que haría la experimentación con el propio sistema real.lo que se está haciendo es engañar a los inputs/outputs del sistema integrado y su entorno mediante el empleo de un código a medida desarrollado y contenido en su PC. Sin embargo, hay tres diferencias clave entre este tipo de simulación y una HILS: 1ª-Los outputs de la simulación convencional son simples líneas en un gráfico, no son señales mandadas a través del hardware. 2ª-El HILS se ejecuta en tiempo real. 3ª-En el HILS el software integrado se ejecuta en hardware real que es posteriormente incorporado en el producto (por ejemplo la ECU en el vehículo), no tan sólo en un centro de trabajo. A continuación, se expone una serie de ventajas que ofrece la simulación Hardware-in-the-loop, que lo hacen idóneo para su utilización en el sector automovilístico. Ventajas Descripción Ejemplo Rentabilidad Necesita menos hardware Simulación de subsistemas antes de la selección de hardware Prototipo rápido Tiempo de set-up reducido Control de motor ensayado sin test en dinamómetro Fidelidad /verosimilitud Velocidad de simulación Posibilidad de centrarse en subsistemas Fenómenos físicos complejos en menos tiempo Reproductividad Condiciones de contorno controlables Entorno virtual HIL permite la simulación de casos destructivos Más fácil de simular el aislamiento de la dinámica de la bomba La naturaleza empírica de los modelos permite un tiempo de test menor En simulación los sistemas de suspensión pueden ser sometidos a carga Probar el despliegue del airbag Página 29

30 Exhaustividad Seguridad Paralelismo Simulación de amplio rango de condiciones físicas Sistemas de seguridad del vehículo pueden ser validados Distintos subsistemas pueden ser validados Variación de la temperatura durante test de ascensión Requerimientos de par apropiados para las señales del acelerador? La estrategia de control de un híbrido puesta a punto durante el desarrollo 2-6.LIMITACIONES DE UNA SIMULACIÓN HILS Entre las limitaciones de esta técnica debe mencionarse en primer lugar que la simulación no puede ser detenida fácilmente, dado que todos los componentes a los que está conectado, incluido el programa integrado (embedded) en el sistema que está siendo probado, siguen ejecutándose. Tal dificultad se puede solucionar parcialmente introduciendo breakpoints, pero ello desvirtúa su funcionamiento real. Tampoco una simulación HILS permite ver qué sucede dentro del sistema integrado, ya que sólo observamos los outputs. No es un sustituto de herramientas como un depurador de software o un analizador lógico, y cuando se produce un fallo en el sistema pueden existir problemas para que se conozca qué parte del software estaba siendo ejecutada o cuál era el valor de las variables internas CÓMO IMPLEMENTAR UNA SIMULACIÓN HILS Para comprender el proceso de implementación del HILS, usando la ECU como hardware, debe conocerse cómo está relacionada la ECU con su entorno. La ECU en lugar de ver el sistema físico real lo que percibe es una serie datos representando voltajes, corrientes, impedancias y el timing. Sin embargo, el HILS ha de cumplir ciertas condiciones para que represente con precisión el sistema físico real. Ha de ser capaz de adquirir y generar señales de misma amplitud y tasa de cambio que el que produciría el sistema físico. Además, para representar como las diversas condiciones de operación afectan a la ECU desde el punto de vista eléctrico, el HILS ha de crear las impedancias que la ECU va a ver ; por ejemplo, la impedancia que tendrán los outputs de la ECU fijará la corriente proveniente del dispositivo. Aunque la ECU cumpla todas las condiciones de diseño, puede ocurrir que haya fallos externos o que los resultados obtenidos-mediante el algoritmo de controlsean inesperados y se encuentren fuera de las especificaciones de la ECU. Para identificar tales fallos, el modelo ha de reproducir con exactitud las características de impedancia del sistema real. Página 30

31 Además, los sistemas de bus de comunicación (ejemplos: CAN, FlexRay) usados en la industria del automóvil necesitan interfaces especializados. El modelo del HILS ha de producir los valores correctos a partir de las señales que reciba de la ECU. Para representar el comportamiento de los inputs y outputs del sistema físico, se usan gráficos de estado, lenguajes de programación y modelos dinámicos. [YU 11] Es fundamental, también, que sea fiel al timing, por lo que se requiere un sistema operativo en tiempo real, para cerciorarse de que todas las señales son actualizadas a un ritmo adecuado para que se mantenga una representación realista del sistema físico a lo largo del tiempo. No obstante, es conveniente recordar que no sólo la ECU puede ser el hardware utilizado en el HILS. Las simulaciones HILS se pueden clasificar en tres categorías diferentes, en función del tipo de intercambio (de datos, potencia, etc.) que exista entre el hardware y el modelo simulado, [BOUS08], [WINK07]. Las categorías son: Signal level: en este caso el hardware es un elemento de control (por ejemplo, la ECU) y tan sólo se intercambian señales y datos entre el hardware y el modelo. Es un método muy utilizado en la industria automovilística y aeroespacial, para la comprobación de los aspectos electrónicos y de control. Fig. 5 Disposición de un HILS en configuración Signal level A. Bouscayrol - Different types of Hardware-In-the-Loop simulation for electric drives. [BOUS08] Power level: en este caso, además de usarse como hardware un elemento del tipo usado en el Signal level, también se emplean los elementos de electrónica de Página 31

32 potencia. En esta categoría se intercambian tanto señales como variables de potencia. Fig. 6 Disposición de un HILS en configuración Power level A. Bouscayrol - Different types of Hardware-In-the-Loop simulation for electric drives. [BOUS08] Mechanical level: en este nivel, además de utilizar como hardware el elemento de control y la electrónica de potencia, se usa el elemento de propulsión (motor eléctrico y/o de combustión). El resto del vehículo es simulado. Por lo tanto los inputs/outputs intercambiados han de ser de naturaleza mecánica Fig. 7 Disposición de un HILS en configuración Mechanical level A. Bouscayrol - Different types of Hardware-In-the-Loop simulation for electric drives. [BOUS08] Una posible configuración, del tipo Mechanical level, es el siguiente: Página 32

33 Fig. 8 Posible configuración para un HILS de tipo Mechanical level. Jean-Marc Timmermans et ál-test Platform for Hybrid Electric Power Systems: Development of a HIL Test platform. [TIMM07] Estas configuraciones obligan a la implementación de un simulador de la carga del vehículo, donde ésta se entiende como los esfuerzos necesarios (ejemplo: acelerar tanto en un vehículo de tanto peso ). El simulador está compuesto por un motor eléctrico de continua y una fuente de voltaje regulable. El eje del motor está acoplado mecánicamente al tren de rodaje. Se montan sensores de velocidad y par en el eje de máquina de carga, lo que devuelve feedback a la ECU. Una vez que se tiene una idea clara de la configuración que se va a usar en para el HILS, se han de identificar los elementos electrónicos y de hardware en general que se van a usar para el funcionamiento; o sea, la arquitectura del sistema de ensayos. En dicha arquitectura se incluyen los elementos procesamiento (por ejemplo: ordenador, conectores de inputs/outputs) y los interfaces. [XION09] La elección de semejantes elementos puede ser laboriosa y costosa, sobre todo si no se tiene un alto grado de conocimiento sobre la implementación de este tipo de sistemas. Suele ser aconsejable recurrir directamente a los productos ofrecidos por ciertas empresas especializadas, como dspace, que ofrecen bloques o paquetes preparados, y que suelen estar orientados al uso en la industria del automóvil. Ello facilita una implementación más rápida, permitiendo centrarse en los ensayos, con una garantía mayor de que no fallará el sistema en sí, y con una posibilidad de mantenimiento y actualización adicional. Más información al respecto se halla en la referencia [DSPA11]. Página 33

34 Fig. 9 Arquitectura sistema ensayos para HILS de una ECU. Catálogo dspace (automotive). [DSPA11] 2-8. EL HILS EN LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS Al igual que se ha visto anteriormente, el HILS puede ser usado bien para probar el vehículo al completo o bien para centrarse en elementos o en subsistemas que son clave en el conjunto, como es el caso de la batería o la globalidad del tren de propulsión. Se ha de decidir qué elementos van a ser simulados o cuáles serán implementados en forma de hardware. Se trata de una decisión que dependerá de factores diversos, como son los costes, la flexibilidad a la hora de realizar los test o la complejidad específica que cada componente añade al sistema. [GELL10] Normalmente, componentes como el motor se simulan en lugar de ser implementados como software, debido principalmente a la complejidad y costes que añadirían, mientras que otros sistemas menos complejos o de un coste menor, como la ECU o incluso las baterías, sí que son implementados como hardware. [CONT03] En la figura siguiente se muestra un HILS en el que todo es simulado excepto las baterías. Página 34

35 Fig. 10 Disposición de simulación y hardware en un HILS. Lucia Gauchia, Javier Sanz - A Per-Unit Hardware-in-the-Loop Simulation of a Fuel Cell/Battery Hybrid Energy System. [GAUC10] El otro aspecto importante sobre el cual hay que tomar una decisión antes de comenzar la simulación HILS es el dimensionamiento del conjunto. [YU 11] El banco de ensayos del HILS ha de ser capaz de reproducir un amplio rango de potencias, lo suficientemente grande para que se pueda realizar una simulación realista, pero no tan grande como para incurrir en costes excesivos ni complejidad inaceptable. Para conseguir un compromiso satisfactorio, se propuso en [GAUC10] el desarrollo de un modelo de magnitudes unitarias, en analogía con el habitualmente usado en máquinas eléctricas, que permite obtener resultados válidos, sin tener que usar un dimensionamiento excesivamente grande. El tamaño del banco de pruebas usando p.u. puede ser independiente del tamaño de la aplicación real, y será usado para cualquier rango de potencias. En las máquinas eléctricas no se utiliza referencia para el almacenamiento de energía; se ha de proceder a la seleccionar un valor base de referencia en amperios hora (A h). Se definen a continuación la serie de elementos que han de ser modelados o usados como hardware- en un vehículo híbrido. Por un lado está la ECU, que se ha indicado anteriormente que es el elemento que más comúnmente es usado como hardware en un HILS. Página 35

36 Por otro lado, la dinámica del vehículo, que por su complejidad conviene que sea simulada siempre (pues, en el caso contrario, obligaría a que se construyese el vehículo al completo, perdiendo sentido el realizar una simulación HILS). A estos hay que añadir los otros dos elementos claves: -los motores/generadores, ya sean el motor de combustión o los motores eléctricos, y, en algunas configuraciones, la pila de combustible. -el dispositivo de almacenamiento de energía que, excepto en contadas ocasiones, es una batería. Un ejemplo de aplicación del HILS a un vehículo híbrido donde el hardware es la batería se puede ver representado en la Figura 11: Fig. 11 El proceso de datos en el HILS. Lucia Gauchia, Javier Sanz - A Per-Unit Hardware-inthe-Loop Simulation of a Fuel Cell/Battery Hybrid Energy System. [GAUC10] A su vez, cada uno de estos elementos está compuesto de varios subsistemas o partes, que han de ser en su conjunto simulados en el modelo virtual. Por ejemplo, un motor de combustión está formado por el sistema de admisión, la sonda lambda, la EGR, etcétera. Para la descripción de más detalles puede acudirse a otros documentos [LOPE07]. Debe tenerse bien claro cuál es el proceso a seguir para el desarrollo del vehículo y la consecuente aplicación de de la técnica adecuada de simulación HILS. [GAO_10] Página 36

37 Así será si se parte de un ciclo de conducción preestablecido, que puede ser o un ciclo real recopilado a partir de mediciones en un vehículo o de varios vehículos (por ejemplo, una flota de camionetas circulando por la Comunidad de Madrid durante un mes) o un ciclo estándar, fijado por un organismo regulador y que intenta reflejar en la mayor medida posible el correspondiente ciclo que seguiría el vehículo típico (ciclo Europa, HWFET, WHTC, WMTC, etcétera). A partir de semejante tipo de ciclo, y una vez que se tiene el modelo del vehículo al completo, se puede obtener la fuerza necesaria en cada momento y por tanto la demanda de par o potencia. De este modo, se puede determinar el combustible y/o la energía eléctrica consumida. Este proceso se denomina BWF (en ese acrónimo, la B indica backwards, ya que se sigue el sentido contrario al del flujo de energía) [4]. Fig. 12 Proceso seguido para del BWF. Sung Chul Oh - Evaluation of Motor Characteristics for Hybrid Electric Vehicles Using the Hardware-in-the-Loop Concept. [SUNG05] El proceso tiene, sin embargo, dos limitaciones. La primera se refiere a que se ha asumido el hecho de que el vehículo ha sido capaz de en todo momento seguir el ciclo; es decir, que, por ejemplo, el sistema de propulsión ha sido capaz de llevar el vehículo a la velocidad adecuada en el momento adecuado, incluso cuando era requerido para altas aceleraciones. Esto no siempre es posible. Puede ocurrir que, por ejemplo, el conjunto no haya sido dimensionado de forma adecuada para cumplir ese ciclo, siendo el vehículo demasiado pesado o falto de potencia. [GAUC09] No obstante, al menos con ciclos estándar, es poco frecuente que pase, pues se suelen dimensionar para que todos o casi- los vehículos puedan cumplirlos. La otra limitación es que para pasar de la fuerza requerida al par o las potencias demandadas se suelen utilizar mapas de eficiencias o pérdidas que normalmente son generados a partir de tests en régimen permanente- por lo cual no se han tenido en cuenta los efectos dinámicos. Esto se ve magnificado por la ausencia de variables como la posición del pedal del acelerador o del freno en el modelo. Página 37

38 Una alternativa posible consiste en seguir el camino contrario, denominado método FWF, que si que usa un modelo del comportamiento del conductor, y variables como la mencionada posición del acelerador. En esta alternativa, el input de la posición del acelerador determina la cantidad de par dada por el motor o los motores (tanto el de combustión como el eléctrico, en función de la configuración y del control del sistema de propulsión) y la tasa de energía usada. El par del motor pasa a través de la transmisión, con lo que se han de tener en cuenta las pérdidas, así como el ratio de transmisión, y de ahí hasta la rueda. Este método tiene ventajas e inconvenientes. A su favor cuenta con que es especialmente adecuado para el desarrollo de hardware y permite un detallado control de la simulación. Dado que el método usa magnitudes medibles en el sistema real, como son los pares reales (en lugar de pares demandados) y señales de control, se pueden desarrollar controladores de vehículo en simulaciones. También permite la inclusión de modelos dinámicos, y se adecua al cálculo de aceleraciones de máximo esfuerzo (acelerador al máximo). Como inconvenientes, ante todo destaca que la simulación de FWF es mucho más lenta que en el caso de BWF. Esto es debido a que el cálculo de potencia del sistema de propulsión depende de los estados del vehículo, incluidas las velocidades de los componentes del tren propulsor que se hallan por integración. La simulación aquí requiere, en consecuencia, de altos órdenes de integración usando pasos de tiempo relativamente pequeños, con el fin de obtener resultados de simulación precisos y estables. En la referencia [SUNG05] se explican, con bastante detalle, otros aspectos importantes a la hora de llevar a cabo la simulación HILS. Cada bloque de componente consta de tres inputs y tres outputs, como se muestra en la figura inferior (donde PTC representa la librería de datos). Página 38

39 Fig. 13 Inputs/outputs de un modelo en HILS. Sung Chul Oh - Evaluation of Motor Characteristics for Hybrid Electric Vehicles Using the Hardware-in-the-Loop Concept. [SUNG05] Debe destacarse que cada componente puede volver a ser usado, que trabajan como un componente real y que son usados para el control. Si el primer input es una instrucción, el primer output será una información del sensor. El controlador del vehículo encargado de controlar cada componente tiene la misma estructura independientemente del tipo de tren propulsor. Basado en la instrucción del pedal del acelerador y en la información de los sensores para el modelo de componentes, se pueden estimar restricciones, como son, por ejemplo, el máximo par disponible del motor. A partir de la estrategia de control óptimo, se obtienen el consumo y las emisiones. Una cuestión esencial en los vehículos híbridos es analizar los diferentes escenarios que va a seguir una batería a lo largo de su vida. O a qué tipo de situaciones de carga o descarga va a ser sometido por los requerimientos del tren motriz. Para su determinación, una variable clave es el SOC (State Of Charge), que indica el porcentaje de carga de la batería, donde 100% indica que está completamente cargada y 0% completamente descargada. Dada la naturaleza no lineal- de las baterías de energía química, no es recomendable alcanzar ninguno de los valores extremos posibles, y para una operatibidad óptima es necesario que se establezca que el valor del SOC quede en un rango determinado. En el esquema siguiente se presenta la configuración de ensayos HILS y el algoritmo de verificación de una batería. Página 39

40 Fig. 14 Proceso de verificación de un algoritmo de carga de batería en HILS. Yongsheng He et ál - Battery algorithm verification and development using hardware-in-the-loop testing.[he 10] En el caso reflejado en este diagrama, el proceso que sigue la simulación HILS recibe como inputs la demanda del usuario (tal es la demanda de potencia) y los límites físicos reales, por ejemplo, la capacidad máxima de la batería. Tras ser procesado da como output el comando de potencia. Con estos datos, junto con el modelo de la batería, se encarga de comparar los valores de las variables modeladas con los valores reales medidos, tanto del estado de carga de la batería como su capacidad de potencia. Cabe preguntarse finalmente: cuál es la efectividad de la simulación HILS? El grado de precisión que se puede llegar a alcanzar con un modelo que emplee la técnica HILS es muy alto. Así se muestra en [NAOZ07], donde se consiguió, usando una simulación HILS de tercera generación, una concordancia, con respecto a los datos de un vehículo real, por encima del 97%. Esto último es muy destacable si se tiene en cuenta que la simulación permitió una verificación mucho más rápida que si se hubiese hecho con un vehículo real (en ese caso unas 30 veces más). Todo ello permite un desarrollo mucho más rápido, un mejor control de calidad y una apreciable reducción de costes. Página 40

41 Capítulo 3 EL MODELO EMPLEADO Página 41

42 3.1-OBJETIVOS Mediante el modelo que se ha desarrollado se desea representar de una forma realista un vehículo híbrido serie o eléctrico de rango extensible, pero con ciertas simplificaciones necesarias tanto para el correcto funcionamiento de la simulación como para que la representación sea eficiente. Se ha optado por modelar el vehículo prácticamente al completo y por componentes, de forma que sea fácil modificar su configuración, para sí, por ejemplo, se desea modelar un híbrido paralelo. Además esta modelización por componentes físicos permite una futura experimentación con Hardware in-the-loop simulation, ya que se pueden eliminar componentes del modelo y sustituirlas por conexiones de tipo CAN- Bus o similar para enlazar con los componentes físicos reales a ensayar. No se ha pretendido realizar un modelado muy exhaustivo de cada componente, pues requeriría cada uno de ellos un tiempo excesivo y una complejidad innecesaria. No obstante sí que poseen una fiabilidad suficiente, y queda para futuros desarrollos el refinar su modelado. Tras modelar los componentes, se pretendía implementar el sistema que los coordine y determine sus estrategias de funcionamiento. Para ello se ha desarrollado un bloque llamado ECU, que aunque no posee la complejidad de una centralita de control completa de un automóvil, si es la encargada de regular los flujos energéticos del vehículo, en especial el funcionamiento del conjunto motor térmico-generador eléctrico que actúa como respaldo para aumentar la autonomía del vehículo. El siguiente objetivo es establecer que estrategias ha de adaptar dicha ECU, y permitir el análisis de cuál de ellas resulta más adecuada en función del objetivo (es decir si el objetivo es disminuir el consumo de combustible fósil, minimizar el consumo energético, minimizar la potencia necesaria del motor térmico, etcétera). Finalmente se le someterá a una serie de ciclos de conducción, comenzando por el ciclo de homologación Europa (NEDC), para realizar los anteriormente mencionados análisis, así como la validación del modelo. Página 42

43 3-2. METODOLOGÍA A la hora de implementar el modelo, en primer lugar se ha procedido a una exhaustiva documentación sobre las implicaciones que se generan de modelar un vehículo híbrido, y en concreto con la herramienta Matlab/Simulink. Posteriormente se ha procedido a decidir qué elementos son modelados desde cero y cuales a partir de elementos de librería o ya existentes en el INSIA y que han sido posteriormente modificados y adaptados a los requerimientos de este nuevo modelo. Se ha comenzado implementando un modelo de vehículo puramente eléctrico, es decir formado solo por el motor propulsor, las baterías y los elementos de electrónica de potencia (inversor, braking chopper, etc.). Además resulta necesario un elemento que simule la dinámica del vehículo, para conocer las fuerzas resistentes al avance, y un generador de ciclos, que determina la evolución de la velocidad del vehículo a lo largo del tiempo. Estos dos elementos permiten determinar la velocidad de giro y el par que ha de seguir el motor propulsor. Una vez se comprueba el correcto funcionamiento del conjunto anterior, se procede a la adición del conjunto motor de combustión-generador eléctrico, encargado de actuar como respaldo para extender la autonomía del vehículo. Y para determinar su activación y punto de funcionamiento resulta necesaria también la creación de una unidad de control (ECU), que contendrá las estrategias de control energético. Dichas estrategias han sido creadas a partir de otras ya existentes en la literatura científica sobre control energético de vehículos híbridos, y adaptadas al modelo creado. A continuación se procede a verificar que todo el modelo funciona de una manera coherente y se ajusta a la realidad. Finalmente se evalúan las diferentes estrategias para el ciclo Europa y otros ciclos de homologación, así como para escenarios de uso del vehículo. Página 43

44 3-3. MODELO A la hora de realizar el modelo del vehículo, se desea modelar el vehículo en su conjunto, elemento físico a elemento, lo que permitirá una más rápida implantación del Hardware in-the-loop. Para comenzar se crearán los diferentes elementos encargados de propulsar el vehículo (motores, baterías, inversor, rectificador), así como la unidad electrónica de control. [TIMM07], [JONA02], [ATHA04], [POWE98] y [SCHU02]. Además, se ha de realizar otro elemento, que será el encargado de modelizar la dinámica del vehículo. Un esquema del modelo es el de la Figura 1 siguiente: Figura 1.Esuqema general del modelo. Elaboración propia. Página 44

45 El razonamiento lógico que sigue la simulación es el que recoge en la Figura 2 siguiente: Figura 2. Razonamiento lógico. Elaboración propia. Se toma como punto de partida un ciclo de conducción preestablecido, bien sea uno estándar de homologación o bien uno real. A partir de este ciclo, que indica simplemente la evolución de la velocidad y la pendiente de la calzada a lo largo del tiempo, se determina las revoluciones en la rueda. Con los valores de las fuerzas resistentes y los requerimientos de aceleración se determina la potencia necesaria para seguir correctamente el ciclo. Tras ello, y junto con la relación de transmisión, radio de la rueda y rendimiento de la cadena cinemática, se obtiene el par necesario en el eje del motor. De este modo, se tiene la consigna de par y rpm que ha de seguir el motor eléctrico encargado de mover el vehículo. Mediante un controlador PI, el motor eléctrico intentará seguir en la mayor medida posible dicha consigna, para lo cual requerirá una determinada intensidad y voltaje, y, en consecuencia, potencia eléctrica. Página 45

46 Una vez ya se conoce la demanda eléctrica requerida por el motor, se ha de determinar quién será el encargado de satisfacerlo, es decir si es la batería o es el conjunto motor térmico-generador eléctrico, o en qué medida se reparten dicha tarea entre ambos. Este reparto es decidido por la ECU, en base a una serie de criterios que serán explicados en los siguientes apartados de esta memoria, dedicados a ECU y a Estrategias de control.con ello se puede calcular el punto de funcionamiento óptimo, en el que el conjunto motor térmico-generador eléctrico satisface la potencia demandada y posee una máxima eficiencia. A partir de todo lo anterior, se puede proceder al dimensionado de los elementos, en especial de las baterías y del conjunto motor térmico-generador eléctrico, así como a la definición de la configuración más adecuada en función de los requerimientos de conducción del usuario Generador de ciclos y dinámica del vehículo Este bloque, que es el primero conceptualmente (pues marca los requerimientos del resto del sistema y representa, véase la Figura 3, el comportamiento de la conducción del vehículo, en cierta manera) se encarga de traducir las necesidades del conductor, en la forma en que origina la variación de velocidad a lo largo del tiempo, y los requerimientos que ha de cumplir el motor eléctrico, encargado de mover el vehículo, en forma de par motor y velocidad del rotor en rpm. Figura 3.Generador de ciclos y dinámica del vehículo. Elaboración propia. Página 46

47 Para ello, se parte de un ciclo de conducción (velocidad versus tiempo) y de la pendiente de la calzada. Con esto podemos además determinar la aceleración necesaria para los cambios de velocidad. Los ciclos de conducción usados serán detallados posteriormente. Un detalle de la estructura de la generación de ciclos en el modelo se representa en la Figura 4 que se halla a continuación. Figura 4. Generador de ciclos (detalle). Elaboración propia. A continuación, se determinan los valores instantáneos de las diferentes fuerzas resistentes que se oponen al movimiento del vehículo. La resistencia aerodinámica viene dada por: Faero=0,5 Cx Ap ρaire V 2 La resistencia a la rodadura vale: Frod=m g coef cos(α) La resistencia (o el impulso, si es negativa la pendiente) gravitatoria es: Fgrav=m g sen(α) Y los requerimientos de aceleración se obtienen mediante la expresión: Fac=m a Página 47

48 A continuación se muestra en las Figura 5, 6, 7 y 8 el par y la potencia requerida por la dinámica del vehículo (en este caso el imiev) para cumplir con el ciclo Europa: Fig. 5. Par requerido (Nm) a lo largo del tiempo Fig. 6. Potencia requerida (W) a lo largo del tiempo Página 48

49 Fig. 7. Desglose potencias requeridas (W). a) Potencia resistencia aerodinámica, b) Potencia resistencia rodadura, c) Potencia gradiente alturas, d) Potencia para aceleración. Todas estas son convertidas en potencia y se les suma la potencia requerida para alimentar los elementos auxiliares, por ejemplo, el alternador, el compresor de refrigeración de las baterías, etcétera. En el caso estudiado, se ha supuesto un valor de 1,8 KW, en base a estimaciones para el Mitsubishi imiev. Fig. 2 Evolución flujo energético requerido (en Ws). Positivo es energía demanda, negativa energía recuperada. Página 49

50 Figura 9. Detalle de la dinámica del vehículo. Elaboración propia. Junto con el dato de las revoluciones del rotor, halladas transformando la velocidad en km/h a rpm empleando la fórmula: se determina el par requerido ideal en el rotor del motor eléctrico, y, a su vez, aplicando el rendimiento de la cadena cinemática, se calcula el par requerido real. Con esto se obtiene como salida del modelo, Figura 9, utilizado cuales son las revoluciones del motor eléctrico y el par que ha de dar en cada momento. Los valores empleados en el creador de ciclos han sido: -Para el turismo Mitsubishi imiev: Masa del vehículo en vacío M = 1195 Kg Rendimiento de la cadena cinemática rcc=90% Densidad del aire dens_aire = 1.15 kg/m3 Área frontal Af = 2.13 m2 2 Coeficiente de resistencia aerodinámico Cx = 0.33 Radio de las ruedas R = m Página 50

51 Relación de transmisión Rt = 6 Coeficiente de resistencia a la rodadura fr = Para autobús de la EMT: Masa del vehículo en vacío M = Kg Rendimiento de la cadena cinemática rcc = 90 % Densidad del aire dens_aire = 1.15 kg/m3 Área frontal Af = 6.5 m 2 Coeficiente de resistencia aerodinámico Cx = 0.7 Carga soportada por el vehículo Carga = 6000 Kg Radio de las ruedas R = m Relación de transmisión Rt = 15 Coeficiente de resistencia a la rodadura fr = Conjunto eléctrico Inicialmente el conjunto eléctrico engloba: el motor eléctrico de propulsión y su controlador, el inversor, el rectificador y el chopper de frenado, como se muestra en la Figura 10 siguiente: Figura 10. Motor, inversor y rectificador. Elaboración propia. Página 51

52 Sin embargo tras una serie de pruebas se ha decidido eliminar el braking chopper, que posteriormente será sustituido por un cotrolador DC/DC, para permitir la frenada regenerativa pero manteniendo una cierta estabilidad de tensión en el bus de continua. A-Motor eléctrico: El motor eléctrico, que ha de ser el encargado de mover el vehículo, ha de seguir la consigna de par y revoluciones mandada por el creador de ciclo. Es esperable que no siempre sea capaz de cumplir al cien por cien esta consigna, pues existirá un cierto retraso y ha de ser el ajuste del controlador PI el encargado de minimizar esa diferencia con respecto a la consigna, pero si ha de acercarse en la mayor medida posible, y en el caso estudiado en este Proyecto la diferencia de velocidad, por ejemplo, nunca supera el 1%. El motor elegido ha sido uno de inducción con control de campo orientado, pues aunque posee una menor potencia específica que uno síncrono, sin embargo, es más robusto y fiable, y su mantenimiento asequible. La primera ventaja que posee respecto a los motores de corriente continua es que no necesita de un conmutador. También resulta más ligero y pequeño, e incluso normalmente más barato y eficiente. Dentro de los motores de inducción existen dos tipos principales: -De jaula de ardilla -De rotor bobinado Para el modelo se ha seleccionado un motor de jaula de ardilla, pues los motores de rotor bobinado son de mayor coste y mantenimiento, así como menor robustez. Como se muestra en la Figura 11. Esquema motor de inducción. Esquema motor de inducción, un motor de estas características está compuesto por un estator en el que se encuentran los arrollamientos de las fases a, b y c, dispuestos a 120º para crear un campo electromagnético senoidal, y un rotor que contiene las barras cortocircuitadas. Estas barras son de aluminio y se cortocircuitan a ambos extremos del rotor. Página 52

53 Figura 11. Esquema motor de inducción. [HESA10] Explicado de una forma elemental, en el funcionamiento de un motor de este tipo de inducción, cada fase del estator es alimentada por una corriente alterna desfasada 120º, y con una frecuencia ω, como se muestra en la Figura 12. Intensidad en las fases del estator. Figura 12. Intensidad en las fases del estator. [HESA10] Estas corrientes alternas desfasadas generan unas fuerzas electromotrices alternativas, llamadas Fas, Fbs y Fcs, cuya suma vectorial da la fuerza electromotriz total, Ftot. Página 53

54 Sus valores son: Fas= Fas sen (ωt) Fbs= Fbs sen(ωt-120º) Fcs= Fcs sen(ωt-270º) La fuerza resultante, supuesto que las tres componentes están equilibradas, es decir de igual módulo, viene dada por: Ftot= 32Fs e(ωt-90º) La reacción entre el giro de la fuerza electromotriz causada por las corrientes del estator y los conductores del rotor induce un voltaje en el rotor, y consecuentemente una intensidad y un par, que hace girar al rotor. Sin embargo, ha de existir una diferencia de velocidad angular entre el rotor y la fuerza electromotriz del estator, llamada deslizamiento. La velocidad relativa es por tanto dicho deslizamiento (s) multiplicado por la velocidad mecánica. Notar que la frecuencia ω, depende sólo de la frecuencia de la corriente alterna del rotor, y suele ser denominada como velocidad angular eléctrica. Si la máquina cuenta solamente con un par de polos, como es el caso más sencillo, esta ω coincide con la velocidad de giro mecánica. Por el contrario, si se dispone de más pares de polos entonces la velocidad mecánica es igual a dicha velocidad angular eléctrica dividido por el número de pares de polos. En la máquina de inducción empleada en el modelo de este proyecto se han seleccionado dos pares de polos. Por último, se debe apuntar el hecho de que si la velocidad del rotor es menor que la llamada velocidad mecánica entonces se estará en funcionamiento de modo motor, ya que será la fuerza electromotriz del estator la que lidera y tira del rotor. Por el contrario, si la velocidad del rotor es mayor estará funcionando como generador, y será el rotor el que induzca corrientes en el estator, dando energía a la red o sistema. En un vehículo esto sería considerado como un caso de frenada regenerativa. Página 54

55 Si ambas velocidades se igualasen dejaría de existir deslizamiento, y por tanto corrientes inducidas, por lo que no se generaría par ni positivo ni negativo. En la Figura 13. Modos de funcionamiento de motor de inducción, se observan los diferentes modos de funcionamiento que se pueden dar en la máquina de inducción, viendo la variación del par respecto al deslizamiento s, para un voltaje y frecuencia constante. Figura 13. [HESA10] Modos de funcionamiento de motor de inducción. Para aplicaciones que requieren moverse a lo largo de un amplio espectro de valores de par y revoluciones, es necesario el uso de un variador tensiónfrecuencia, que permite el desplazamiento de la curva de par respecto a la velocidad. En la Figura 14.. Variación Tensión-Frecuencia, que puede verse a continuación en este apartado, se muestran los efectos producidos por el empleo de un variador tensión frecuencia. Página 55

56 Figura 14.. Variación Tensión-Frecuencia. [HESA10] En la primera región (desde rotor parado hasta deslizamiento igual al deslizamiento relativo de la máquina) se obtiene, mediante el aumento de la tensión, un par constante, algo de especial relevancia para aplicaciones en vehículos. La segunda región, llamada de potencia constante, mantiene el voltaje y aumenta la frecuencia (y por tanto velocidad), lo que provoca una sostenida caída del par. Por último, se llega a una región en la que tampoco la frecuencia puede ser aumentada y la potencia y par caen. Si es posible, se debería evitar esta última región de funcionamiento. Una alternativa al variador tensión-frecuencia, que no es tan apto para cambios rápidos de requerimientos que se dan en la conducción, es el control de campo orientado. No se procederá a un análisis detallado de este tipo de control, debido a su complejidad y a que no es el asunto central de este proyecto, pero en resumidas cuentas lo que se trata de conseguir mediante este tipo de control es que el campo del estator se mantenga perpendicular al del rotor, para así producir siempre el máximo par. En los motores de inducción esto implica actuar sobre las corrientes del estator. Para mayor detalle acudir [HESA10]. Página 56

57 El control de motor se realiza mediante un proporcional integrador derivador, ya integrado dentro del bloque de simulación del motor. Los parámetros del PI usados finalmente han sido: Ganancia proporcional: 110 Ganancia integrador: 40 El motor empleado en el modelo trabaja a 575 V, y tiene una potencia nominal de 39 KW, y máxima de 47 KW. Estos valores han sido escogidos a partir de los conocidos del Mitsubishi imiev, para poder realizar una comparación fiable respecto a este vehículo, pero son fácilmente modificables y adaptables al vehículo que se desee simular. Otros parámetros motor eléctrico de propulsión utilizado: Frecuencia: 60Hz Inercia (incluye el rotor de la máquina más el del resto de la cadena cinemática): 10 Kg m 2 Fricción: 0,005 N m s Pares de polos: 2 Estator: Rotor: -Resistencia: 0,435 Ω -Inductancia: 0,816 Ω -Resistencia: 0,002 H -Inductancia: 0,002 H Inductancia Mutua: 0,07 H Valor inicial deslizamiento (s): 1 Valor inicial ángulo: 0 Página 57

58 Nótese que algunos de estos parámetros han sido supuestos, puesto que los fabricantes normalmente no facilitan datos tan exhaustivos. No obstante, en futuros desarrollos, se puede partir de un vehículo con un motor del que si se posean datos más específicos, como por ejemplo el EPISOL. Controlador de la máquina: Controlador flujo: Rampa aceleración máxima: 1800 rpm/s Rampa deceleración máxima: rpm/s Límites de par: +1000Nm -1000Nm Flujo inicial máquina: 0,3 Wb Flujo nominal máquina: 0,3 Wb -Ganancia proporcional: 40 -Ganancia integrador: 50 Debe destacarse que, al igual que en los parámetros de la máquina, ante la falta de datos precisos, se han tomado unos valores genéricos y razonables, a falta de comparación y adaptación más detallada a un vehículo del que si que se dispongan todos los datos. B-Inversor Su esquema se recoge en la Figura 15 que sigue en el texto. Figura 15. Inversor. Elaboración propia. Página 58

59 Es el elemento eléctrico encargado de transformar la corriente continua proveniente de las baterías en corriente alterna que será empleada por el motor eléctrico. Consta de un oscilador que controla a un transistor, que a su vez transforma la corriente entrante en señal de onda cuadrada. Posteriormente, ésta alimenta un transformador, que rectifica esta señal haciéndola más parecida a una senoidal. En el modelo de este proyecto el inversor emplea diodos IGBT a modo de transistor. Si se desea que el vehículo pueda realizar frenada regenerativa con carga de baterías, el inversor ha de ser bidireccional. La estructura real de un inversor es mostrada en Figura 16. Disposición real inverter. Figura 16. Disposición real inverter. [HESA10] Figura 17. Estructura interna del Modelo del inverter. Elaboración propia. Página 59

60 C-Rectificador Su esquema de funcionamiento está recogido en la Figura 18 que hay a continuación. Figura 18. Rectificador. Elaboración propia. Actúa de forma análoga al inversor, pero con el objetivo contrario, es decir transformar la corriente trifásica proveniente del generador eléctrico (del conjunto motor térmico-generador eléctrico) en corriente continua que servirá para cargar las baterías. En el modelo el rectificador empleado, que resulta ser una versión simple, compuesta tan solo por un conjunto de diodos, que se encargan de filtrar la onda senoidal. El objetivo es conseguir lo mostrado en la Figura 19. Rectificación de una onda senoidal. Página 60

61 Figura 19. Rectificación de una onda senoidal. Como se observa, no se obtiene una señal perfectamente continua, pero si se aproxima lo suficiente para los requerimientos marcados en el Modelo. La arquitectura de un rectificador es mostrada en Figura 20. Estructura de un rectificador. Página 61

62 Figura 20. Estructura de un rectificador. Elaboración propia D- Chopper de frenado Su esquema está recogido en la Figura21. Figura 21. Chopper de frenado. Elaboración propia/simulink. Su misión consiste en controlar el voltaje en los circuitos de corriente continua intermedios de controladores de frecuencia, como es el caso aquí estudiado, y la carga alimenta energía de vuelta al circuito cuando, por ejemplo, se produce una situación de frenada regenerativa. El chopper de frenado consiste en un interruptor eléctrico que conecta el bus de continua con una resistencia eléctrica encargada de disipar el calor. Cuando se supera un valor preestablecido de voltaje del bus de continua, el chopper se activa automáticamente disipando la energía sobrante y manteniendo el valor del voltaje dentro de unos márgenes razonables. Un esquema básico de funcionamiento de un braking chopper es el mostrado en Figura 22. Esquema de un Braking Chopper. Página 62

63 Figura 22. Esquema de un Braking Chopper. Elaboración propia. Figura 23. Estructura de 'chopper' modelado. Elaboración propia. Las ventajas que posee el uso de este dispositivo son: -Simplicidad -Bajo coste -Tecnología madura y fiable -Continúa funcionando incluso a pesar de pérdida de alimentación (de corriente alterna). Sin embargo, también posee inconvenientes tales como: -La energía disipada en forma de calor en las resistencias es perdida al ambiente. Página 63

64 -Requiere estar refrigerado o al menos por convección natural -Se trata de un elemento voluminoso -El incremento del voltaje del bus de continua supone un mayor esfuerzo de aislamiento del motor -No es muy adecuado si se van a producir frenadas frecuentes y de alta potencia. El braking chopper se ha de eliminar o regular en el caso de que se desee realizar frenada regenerativa. En el caso del Modelo se ha optado finalmente por sustituirlo por un controlador DC/DC, que no llega a disipar calor, sino que simplemente se encarga de mantener el voltaje lo más uniformemente posible. E-Batería Una batería destinada al uso en vehículos híbridos o eléctricos ha de poseer una alta capacidad Amperio-hora, así como una alta potencia específica (W/Kg), energía específica (Wh/Kg) y densidad energética (Wh/m 3 ). Para cumplir con todo ello, la batería seleccionada es de ion-litio, pues se trata actualmente de la tecnología más eficaz a la hora de cumplir estos requisitos sin incurrir en unos costes desproporcionados. Esta tecnología fue ampliamente desarrollada en la industria de los ordenadores portátiles y teléfonos móviles, y actualmente la amplia mayoría de los vehículos lanzados utilizan este tipo de baterías. Aparte de las ya mencionadas, las baterías de ion litio poseen las siguientes ventajas [LOPE10]: - Larga vida - Alta eficiencia - Al trabajar sus celdas a un mayor voltaje, el número de celdas para una determinada aplicación es menor - Alta flexibilidad de configuraciones. Página 64

65 - Apenas existe efecto memoria (al menos con las estrategias de cargadescargas utilizadas en nuestro modelo) - Poca auto-descarga en ausencia de uso. En definitiva, estas baterías presentan un buen equilibrio entre la potencia que pueden suministrar y la energía que almacenan, y se ven menos afectadas por estrategias de control más agresivas, siendo el importante coste aún una barrera para su implantación. En la Figura 24.Relación potencia específica / energía específica de las diferentes formas de almacenamiento de energía, se muestra unas gráficas comparativas entre las diferentes tecnologías de almacenamiento de energía actuales para el uso en vehículos. Figura 24.Relación potencia específica / energía específica de las diferentes formas de almacenamiento de energía. La batería empleada en el modelo trabaja a 330V de voltaje nominal (si bien esta tensión rara vez será realmente alcanzada, pues la tensión varía en función tanto de la carga de la batería como de los requerimientos de potencia) y con una capacidad de 48 Ah. Otro parámetro es la corriente de descarga, que ha sido fijada al 20% de la capacidad. En base a las baterías existentes, es corriente que sean de una descarga nominal de 20A, voltaje a plena carga, de 1,15 veces la tensión nominal y resistencia interna de 0,046 Ohmios. A continuación, en la Figura 25.Curva característica de descarga, se muestra la curva característica de descarga a intensidad nominal (20 Amperios) empleada. Página 65

66 Figura 25.Curva característica de descarga. Elaboración propia/simulink El SOC (State-of-Charge) es la relación entre la capacidad en ese instante y la capacidad total. La variación del SOC se expresa como: donde Q, capacidad en Amperios-hora, está en función de la intensidad instantánea. Por tanto, el SOC es: La capacidad energética de la batería, que suele ser expresada en KWh, es por consiguiente: donde V depende del SOC y de la intensidad, y la i del tiempo. Resulta especialmente importante, a la hora de trazar las estrategias energéticas, conocer la eficiencia obtenida a la hora de cargar y descargar la batería, que como se verá reduce sustancialmente el rango de funcionamiento de la misma. En la Figura 26. Curvas de eficiencia de carga/descarga de las baterías, se muestran las dos curvas, así como su efecto combinado, para tener una idea de en qué intervalos de SOC es conveniente moverse. Página 66

67 Figura 26. Curvas de eficiencia de carga/descarga de las baterías. Elaboración propia/simulink. Es altamente recomendable moverse en valores intermedios del SOC. No resulta muy eficiente (aunque normalmente, en las aplicaciones automovilísticas, sí necesario) cargar completamente la batería, ni es especialmente recomendable descargarla muy severamente. Hay que tener en cuenta además que moverse en las zonas de mayores pérdidas implica un aumento del calor disipado, que puede resultar peligroso para la integridad de la batería e incluso el vehículo. Para información más detallada sobre la modelización de la batería, se puede acudir a la [YAMA08], [BESE10], [CHAC10] y [HE 10]. No se ha modelado un cargador de conexión a la red; en su lugar, el modelo permite establecer el valor inicial del estado de carga, pues para la evaluación a realizar, a partir de los ciclos, se supone que el usuario realizará un recorrido menor al que requeriría una caga completa. En caso de superarlo, simplemente bastarías detener la simulación, establecer el valor de SOC posterior a esta segunda carga de conexión a red y relanzar la simulación, con el nuevo ciclo que representa el uso del conductor tras la carga. Página 67

68 3-3-3.Conjunto motor térmico-generador eléctrico Está formado por un motor de combustión de gasolina y un generador eléctrico síncrono. Dada la complejidad del modelado del motor térmico al completo, se ha optado, en su lugar, por partir de las curvas características de par máximo y de iso-consumo de un motor ya existente. Éstas, integradas dentro de la ECU, permiten, a través de un código de optimización que será explicado en el apartado 3-3-5, determinar el punto de funcionamiento óptimo de dicho motor para cada momento en función de la demanda y el valor del estado de carga (SOC) de la batería. Dado que el motor térmico y el generador están acoplados mecánicamente (en este caso sin reductora), el generador eléctrico deberá recibir una señal que le indique en que punto de funcionamiento se hallará. Se plantean, sin embargo, dos alternativas: o bien se crea un modelo de generador síncrono, de forma análoga al motor eléctrico propulsor usado, o bien, dado que ya se sabe la relación de trasmisión entre motor y generador, y se tienen las curvas de eficiencia y de potencia de un generador eléctrico, integrar el generador dentro del código de optimización. De esta forma, para conectar con el resto del modelo eléctrico, tan solo se necesita un elemento que convierta la señal de punto de funcionamiento (es decir rpm y par) en magnitudes reales de voltaje e intensidad, que llegan al rectificador. Finalmente, se opta por modelar el generador eléctrico al completo, mientras que el motor térmico es modelado a partir de las curvas características. Los mapas de eficiencia y de consumo del generador eléctrico y del motor térmico se encuentran en el Anexo Centralita de control electrónico (ECU) Es, en el modelo, la encargada de controlar el funcionamiento del conjunto motor-generador. Página 68

69 Para comenzar, ha de conocer si el vehículo se encuentra en modo puramente eléctrico (y por tanto no enciende el conjunto motor-generador salvo emergencia) o en modo híbrido. En el modelo, este input se regula directamente por el usuario, en función del los escenarios que desee probar, pero se podría implementar un algoritmo que detectase si el vehículo se encuentra circulando por una vía urbana de emisiones restringidas o por el contrario en vía extraurbana, y por tanto determinar el modo de funcionamiento más adecuado. Otro input fundamental es el estado de carga de la batería (SOC). Será, junto con la estrategia de control, un condicionante crucial a la hora de determinar el encendido o no del conjunto motor-generador, así como el punto de funcionamiento. Es decir, por ejemplo, si se llega a un valor mínimo preestablecido del SOC, el conjunto motor-generador se verá inevitablemente forzado a actuar. El tercer input es la temperatura del aceite del motor térmico. Si este se encuentra frío, y por tanto el aceite por debajo de 110ºC, entonces la estrategia de carga será menos agresiva para minimizar emisiones en frío y aumentar la durabilidad del motor. También, si se estima que el motor ya está caliente, y se intuye que, aunque en el momento actual es posible desconectar el motor térmico, será necesario que esté activado en un futuro próximo (por ejemplo dos minutos), se puede mantener el motor conectado para mantenerlo en una temperatura más adecuada. Todo esto será detallado en el apartado de estrategias. Para el modo híbrido, en especial para la estrategia charge sustaining, resulta imprescindible también que la ECU conozca la potencia demandada por el motor impulsor. En función de si esta es mayor o menor, se necesitará dar más o menos energía para mantener el nivel de carga de la batería. Para evitar fuertes fluctuaciones que conducirían a reducir la eficiencia y aumentar la inestabilidad, en lugar de tener en cuenta la potencia demanda instantánea, se hace un promedio del periodo, en el caso objeto del estudio es de 60 segundos. Página 69

70 Figura 27. ECU. Elaboración propia/simulink. Figura 28. Detalle de ECU. Elaboración propia/simulink. Los bloques de modo híbrido y modo eléctrico determinan finalmente si se ha de encender o no el conjunto motor-generador y qué potencia ha de suministrar en el caso de que si que sea necesario encenderlo. Sin embargo, la tarea de determinar en qué punto del mapa rpm-par queda reservada al código MATLAB de optimización embebido dentro del bloque de Simulink llamado Optimización. A-Bloque de modo eléctrico Se trata del bloque encargado de seleccionar la potencia que necesitaría dar el conjunto motor térmico-generador eléctrico como respaldo una vez el modo de funcionamiento exclusivamente eléctrico no pudiese continuar por haber alcanzado el SOC mínimo. Página 70

71 Como se describe en el apartado de estrategias, se pretende que el conjunto MT-GE genere la menor cantidad de emisiones posibles, o al menos el menor consumo energético. Su esquema se puede ver en la Figura 29. Figura 29. Bloque de modo eléctrico. Elaboaración propia/simulink. B-Bloque de modo híbrido Se trata del bloque encargado de seleccionar la potencia que necesitaría dar el conjunto motor térmico-generador eléctrico para un funcionamiento, por ejemplo fuera de un casco urbano. El objetivo primordial ha de ser reducir el consumo energético. Se compone de un amplio rango de escenarios, en función de las siguientes variables como valor del SOC, temperatura del aceite o agresividad de carga deseada. El esquema correspondiente a este bloque se refleja en la Figura 30, que está a continuación: Figura 30. Bloque de modo híbrido. Elaboración propia/simulink. Página 71

72 3-3-5.Código de optimización embebido Es el encargado de traducir, mediante la búsqueda en los mapas de eficiencia del motor y el generador, la entrada de potencia demandada en rpm y par, así como consumo específico (g/kwh) del motor de combustión. El código de la versión básica es mostrando en el apartado código fuente. Posteriormente se han implementado versiones más avanzadas, que son más eficaces y consumen menor tiempo de simulación. El razonamiento lógico seguido para la realización del código es explicado en el apartado de determinación del punto de funcionamiento del conjunto motor térmicogenerador eléctrico. Parámetros de simulación: Los principales parámetros que se utilizan en la simulación realizada en el caso estudiado en este Proyecto son: -Simulación discreta, de paso variable -Tiempo iteración 10-3 segundos. -Tiempo de simulación: para el ciclo Europa (NEDC) segundos LOS CICLOS En la simulación se someterá al Modelo a los ciclos que se describen a continuación. Son los tres más importantes para desarrollar las estrategias que permiten valorar el comportamiento del vehículo hibrido, según el diseño que se establece en este Capítulo Ciclo Europa (NEDC New European Driving Cycle) Se trata del ciclo de homologación, tanto para consumo como emisiones, más usado en Europa, y es, por tanto, una buena referencia a la hora de evaluar si los valores obtenidos en un vehículo son razonables o no. Está compuesto por un subciclo urbano y un subciclo extraurbano. Página 72

73 Figura 31. Ciclo Europa (NEDC) completo. [GUTI04] Dentro del urbano, se repite cuatro veces el subciclo siguiente: Figura 32. Subciclo urbano. [GUTI ] Sus características numéricas corresponden a los datos recogidos en la tabla siguiente: Página 73

74 Este ciclo se repite 4 veces, y por tanto comprende a un tiempo total de 13 minutos, y para una distancia recorrida de 3976,1 km. La velocidad media es de 18,35km/h Ciclo extraurbano El subciclo extraurbano, encargado de representar la conducción en autovía y carrertera secundaria, es el siguiente: Figura 33.Subciclo extraurbano. [GUTI ] Página 74

75 Los datos correspondientes están reflejados en la tabla que sigue: En consecuencia, la distancia total recorrida en esta parte es de 6822,2, realizada durante 400 segundos. La velocidad media es 61,4 km/h. Se ha de señalar que, desgraciadamente, este ciclo no es demasiado representativo de la conducción en condiciones reales, pues posee pocos transitorios y es excesivamente lineal, poco acorde con el tipo de conducción llevado a cabo por un usuario en su vehículo. Las aceleraciones requeridas son sensiblemente menores a los que puede ofrecer un vehículo realmente. Por todo ello, la utilidad de este ciclo estriba básicamente en que es el utilizado en la homologación, y, por lo tanto, existe una amplia gama de resultados de diversos tipos y marcas de vehículos, que sirven como referencia; mucho más que para realmente analizar el consumo energético que requerirá el vehículo en su uso diario. Para corregir dicho problema, está en marcha en la actualidad un grupo de trabajo en la UNECE, que está recopilando estadísticas y estableciendo patrones sobre circulación real para crear un ciclo que se ajuste en la mayor medida posible al uso real. Ese nuevo ciclo será denominado WHTC (World Harmonised Transient Cicle). Página 75

76 Sin embargo, a día de hoy, sólo se ha completado el destinado a motocicletas, y la versión adecuada para los automóviles se prevé que esté disponible en los próximos meses Ciclo Artemis El ciclo Artemis se ha originado a partir de los trabajos de un grupo de investigación europeo que responde al mismo nombre, encargado de la creación de un ciclo de homologación más acorde a las condiciones reales de conducción. Para su creación tomaron una gran amplitud de datos in-situ que posteriormente fueron tratados estadísticamente, y de los que se extrajeron una serie de patrones de conducción. El ciclo Artemis resulta mucho más adecuado a la hora de reflejar el consumo y las emisiones que realmente provocará un vehículo, por lo que resulta de un interés mayor que si se desea realizar homologaciones más acertadas, y que además permitan evitar los atajos seguidos por los fabricantes de automóviles, que muchas veces buscan más la optimización conveniente para minimizar las emisiones contaminantes en el ciclo que en el uso diario y real. Por el contrario, dado que posee transitorios mucho más agresivos que el NEDC, requiere de unas condiciones en banco de pruebas más complejas, y se puede llegar a dar el caso en que un banco se pueda realizar el ciclo NEDC pero no del ciclo Artemis. Dentro del marco Artemis se desarrollaron tres ciclos principales: -Urbano -Carretera comarcal -Autovía/autopista A su vez cada uno de ellos se descompone en subciclos distintos. Así, por ejemplo, el urbano posee una parte de circulación congestionada y otra de circulación fluida. A continuación, en la Figura 34. Ciclos Artemis, se muestran los tres ciclos principales, divididos a su vez en subcliclos: Página 76

77 Figura 34. Ciclos Artemis. [ANDR04] En el Capítulo 7 de Anexos se dispone de la tabla de valores de los puntos seguidos por el ciclo, así como de sus características. 3-5.ESTRATEGIAS Y MODOS FUNCIONAMIENTO Existen dos principales modos de funcionamiento: el modo eléctrico y el modo híbrido. Se describe seguidamente ambos casos, como base sobre la que se elaboran las estrategias adoptadas. Página 77

78 3-5-1.Modo eléctrico Dado que se prevé que en un futuro cercano muchas grandes y medianas ciudades pongan cada vez más restricciones al tráfico rodado, en especial en función de sus emisiones, llegándose incluso a delimitar zonas de emisiones cero (por ejemplo Paris ya se ha planteado dicha posibilidad para 2020), como se explicó en la introducción del Capítulo1, resulta muy interesante que los vehículos puedan poseer un modo de funcionamiento exclusivamente eléctrico y por tanto cero emisiones locales (que no globales). Los híbridos de configuración paralelo existentes y/o factibles sólo permiten esto durante periodos bastante pequeños (ejemplo de ello es el Prius durante 2 kilómetros), debido al menor tamaño de su motor eléctrico y de sus baterías, así como su estrategia de funcionamiento; por el contrario, los vehículos híbridos de configuración en serie permiten conseguir intervalos mucho mayores (es el caso del Opel Ampera 60km), lo que les permitiría moverse por una ciudad durante el periodo de tiempo suficiente que requiera el usuario, sin arrancar en ningún momento el motor térmico. Podría darse la situación de que, incluso a pesar de este amplio rango, el usuario desee o deba continuar usando su vehículo en ciudad, pero se haya alcanzado un nivel de carga de batería igual o menor al mínimo permitido para evitar daño a la batería/ineficiencia (SOCmin_perm). En este momento surge el dilema de si el control del vehículo ha de detenerlo (por supuesto no inmediatamente, sino avisando previamente al usuario para que busque un lugar adecuado donde detener el vehículo) o bien ha de arrancar el motor térmico, en un punto de bajas emisiones y alta eficiencia. La decisión sobre si adoptar una u otra opción dependerá finalmente de la normativa que adopte el correspondiente ayuntamiento donde haga la vida el vehículo. O sea, si estrictamente las emisiones han de ser cero, y por tanto se ha de aplicar la primera opción, o bien de muy bajas emisiones, que permitirá la segunda opción, siempre y cuando el usuario no permanezca mucho dentro del casco urbano restringido con el motor térmico en funcionamiento. A su vez se plantean dos opciones dentro de la segunda alternativa.o bien el motor se enciende en un punto de funcionamiento de muy bajas emisiones y poca potencia, siendo la finalidad buscada que se mantenga, constante el nivel de carga de la batería (ejemplo se da de ello en el SOC_min) o bien se enciende Página 78

79 en un punto de mayor potencia y emisiones para cargar rápidamente la batería y poder desconectar el motor antes. El problema de elección de uno u otro reside en predecir qué va a hacer el usuario posteriormente, que se resuelve mediante modelos predictivos, que hacen uso de sistemas como el GPS para analizar la conducción que va a realizar el usuario y por tanto determinar la mejor estrategia de carga. Es una tecnología aún poco madura y en desarrollo. No se adapta al modelado para diseño (en los que se parte de un ciclo de conducción pre-definido), sino más bien para la centralita de control a bordo del vehículo. Para adaptarse a todas estas posibilidades, en el modelo se permite la fácil implementación de una u otra estrategia con el simple cambio de bloques de estrategia Se deja al futuro usuario del modelo la decisión de que estrategia usar, en función de la normativa del lugar donde vaya a ser usado el vehículo Modo híbrido Este modo es activado cuando el usuario no realiza conducción en zona de emisiones restringidas. El funcionamiento es el siguiente: Supóngase que el vehículo inicia la marcha con la batería plenamente cargada (SOC ~99%). Si se desea que el consumo de emisiones sea el menor posible y no podemos predecir el recorrido posterior del usuario (es decir, no contamos con técnicas predictivas que analizan el recorrido marcado en el GPS), el vehículo comenzará la marcha sin usar el motor térmico, es decir sólo alimentándose de la batería, y por tanto sin emisiones locales. Este funcionamiento se dará hasta que el SOC de la batería se reduzca a un nivel predeterminado, llamado SOC_min_deseado (en el caso objeto de estudio, se ha fijado en el 60%), momento en el cual el motor térmico es arrancado, para alcanzar el nivel de carga máxima deseada, SOC_max_deseado; una vez alcanzado, se vuelve a desconectar. La razón de mantener el valor del SOC dentro de un intervalo estrecho es porque es el rango en el que la carga y la descarga de la batería es más Página 79

80 eficiente, y, por tanto, menos energía es derrochada en dicho proceso; como contrapartida, obliga a un casi constante arranque y parada del motor térmico, algo que no resulta muy eficiente; ello es especialmente así si el motor térmico no alcanza un nivel de temperatura adecuado. Se plantea que en el futuro se aproveche el calor generado por las baterías para mantener caliente el motor térmico; en el modelo estudiado, también se ha implementado la opción que detecta la temperatura del aceite del motor térmico, y en función de ello se fija un mayor o menor punto de funcionamiento. Se trata de buscar el equilibrio entre ambos factores. La estrategia mencionada se denomina de termostato, y la evolución del estado de carga de la batería que produciría sería como el mostrado en Figura 35. Estrategia de termostato. Figura 35. Estrategia de termostato. Elaboración propia. Si el SOC se encuentra por debajo del SOC_min_deseado, bien porque las demandas del usuario han excedido la potencia que puede dar el sistema (en concreto que la potencia demandada ha sido mayor que la que podría dar el motor térmico, durante un periodo grande, y como consecuencia, la batería se ha descargado hasta por debajo de SOC_min_deseado) o bien porque no se había cargado, por medio de conexión a la red, suficientemente, entonces el motor térmico permanecerá encendido, y en un punto de funcionamiento alto, para alcanzar rápidamente el intervalo óptimo de funcionamiento de la batería (entre SOC_min_deseado y SOC_max_deseado). Página 80

81 En este modo también se puede usar la estrategia de charge sustaining, que consiste en mantener la carga de la batería constante, a costa de variar el punto de funcionamiento del motor térmico. Dicho motor habrá de suministrar la siguiente potencia: donde: Vnom: voltaje nominal de la batería, en V Qnom: capacidad nominal de la batería, en Ah SOCpredet: Valor predeterminado del SOC que deseamos mantener para la batería. SOCactual: Valor en ese momento del SOC El valor de t recarga corresponde al tiempo en el cual queremos que se recargue la batería hasta el nivel deseado. Es crucial a la hora de determinar la potencia que será necesaria. Ello es debido a que cuanto menor sea t recarga, el tiempo para alcanzar el SOC objetivo es también inferior y, en definitiva, la potencia empleada ha de ser mayor. Como valor de P_media_periodo_anterior se toma la potencia media del periodo de uso anterior (por ejemplo, una hora) para intentar predecir la potencia que demandará el usuario. La estrategia conseguiría mantener el estado de carga de la batería de una forma casi completamente constante, como es mostrado en Figura 36. Estrategia Charge sustaining. Página 81

82 Figura 36. Estrategia Charge sustaining. Elaboración propia Ventajas y desventajas de cada estrategia Se representan en la tabla siguiente: Ventajas frente al otro método: Charge sustaining -Normalmente necesitará un motor térmico menor -Especialmente interesante para conducción con frecuentes cambios de velocidad -Garantiza altas prestaciones en cualquier momento Termostato -Menor tiempo de funcionamiento del MCI -Funciona en un punto de funcionamiento único o con poca variación, por tanto más cerca del polo económico -Mejor para conducción más constante, por ejemplo la mayor parte a velocidad crucero en autopista Una comparación descrita con mayor detalle puede consultarse en [ESHA10], [EMAD05], [SUNG04] y [REN_08]. Página 82

83 Se puede, y se da, el caso de que se tenga a la batería funcionando en un rango (más estrecho) que hace que su eficiencia sea mayor, pero que disminuya ligeramente su autonomía y empeore su consumo energético. Por el contrario, si se amplía el rango de funcionamiento de la batería (SOC), se mejora la autonomía y el consumo energético a costa de reducir la eficiencia de la batería. Se ha de buscar por tanto un punto de equilibrio entre ambos [HUI_11] Posibles escenarios y acciones a realizar A continuación se muestran una serie de tablas sobre posibles escenarios y estrategias de valor de SOC y las correspondientes acciones a realizar. A-Modo eléctrico puro sin respaldo En este caso nunca se enciende el motor térmico y cuando llega el SOC a un nivel inferior al predeterminado, el vehículo ha de detenerse. Resulta poco recomendable, por los inconvenientes creados al usuario. Además, aun no existe una normativa firme que establezca áreas de emisiones cero. B-Modo eléctrico con respaldo charge-sustaining A continuación se muestra una tabla de posibles escenarios de funcionamiento. Es una primera aproximación, que posteriormente se ha afinado con el algoritmo de optimización de la ECU. SOC Temperatura MCI M.Térmic encendido? Punto funcionamiento SOC>35% NO SOC<=35% <90º SI Carga en frío: 2500rpm 50Nm SOC<=35% >90º SI Carga normal: 2500rpm Par variable en función de Potencia demanda y tiempo hasta alcanzar SOC 35% Página 83

84 C-Modo eléctrico con termostato Al igual que en el modo anterior, se muestra una tabla con una primera aproximación, para dar una idea de los escenarios de funcionamiento. SOC Variación(pendie nte) SOC Temperat ura MCI M.Térm. encendid? Punto funcionamiento SOC>=40% NO 20<SOC<40% Negativa NO 20<SOC<40% Positiva <90º SI Carga en frío: 2500rpm 50Nm 20<SOC<40% Positiva >90º SI Carga media: 500rpm 80Nm SOC<=20% <90º SI Carga frío: 2500rpm 50Nm SOC<=20% <90º SI Carga rápida: 2500rpm 100Nm D-Modo híbrido SOC Variación(pendie nte) SOC Temperat ura MCI M.Térm encendi.? Punto funcionamiento SOC<=45% <90º SI Carga en frío: 2500rpm 50Nm SOC<=45% >90º SI Carga rápida: 2500rpm 100Nm 45<SOC<=60 <90º SI Carga en frío: % 2500rpm 50Nm 45<SOC<=60 >90º SI Carga media: % 500rpm 80Nm SOC>=70% NO 60<SOC<70% Positiva <90º SI Carga en frío: 2500rpm 50Nm 60<SOC<70% Positiva >90º SI Carga lenta: 2500rpm 60Nm 60<SOC<70% Negativa NO Todos los NO demás casos Página 84

85 Debe resaltarse que se han empleado unos valores arbitrarios de SOC, de punto de funcionamiento (rpm y par), etcétera, a modo de primera aproximación. Posteriormente, en las simulaciones, y sobre todo a partir de la implementación de un código de optimización para la búsqueda del mejor punto de funcionamiento del conjunto motor térmico-generador eléctrico, se han usado otros valores, que pueden ser fijos (y fácilmente cambiables) o bien variables, es decir que no se pre-establece un valor de rpm y par, sino que se deja que sea el código de optimización el encargado de seleccionarlo. En una primera aproximación, para simplificación y ahorro de costes, suponemos que el motor térmico se mantiene a un número de rpm constantes y solo varía su par para adaptarse. Ello tiene también diversas limitaciones, pero permite el uso de un generador de mayor simplicidad de control y mecánica, así como menor coste, a cambio de perder flexibilidad a la hora de generar la potencia adecuada. Posteriormente se ha implementado un sistema más complejo que determina la potencia que ha de dar el generador térmico, en función de una serie de parámetros y de casos (ver las tablas correspondientes), y posteriormente busca en el mapa motor el punto de funcionamiento que cumpla dicha potencia y tenga el menor consumo específico, dando la orden, en forma de consigna de par y revoluciones, al motor térmico de situarse en ese punto. E-Definir el punto de funcionamiento del motor térmico El razonamiento lógico que puede seguirse para su establecimiento se puede secuenciar del modo siguiente: -Se parte de la potencia demandada por el usuario y del SOC y/o potencia que puede dar la batería. -Con esto se va al mapa de iso-consumo de motor de combustión, a través de la curva de iso-potencia (curva roja), según se ve en la Figura 31. -En el siguiente paso se ha de optar por una de las dos alternativas que se presentan: -Si se desea el menor consumo de combustible instantáneo: Se busca el punto de esa curva que tenga menor consumo. Página 85

86 -Si se desea la mayor eficiencia global posible: Se busca el punto aquel en el que el producto de la eficiencia del motor de combustión y el generador eléctrico. Se ha de recordad que la eficiencia del motor térmico es obtenida a partir del consumo específico mediante la fórmula: donde g es el consumo específico en g/kwh y Hc el poder calorífico superior del combustible. -Se obtienen sus coordenadas en el mapa, es decir las rpm y par. Y también se obtiene el consumo, así como su eficiencia. -Estas rpm y par se llevan al generador térmico, determinando la intensidad que inyectará al sistema eléctrico a una determinada tensión. El método de llevar a cabo la simulación con la técnica que emplea la herramienta en Matlab/Simulink se detalla con más profundidad en el apartado posterior correspondiente. Figura 37. Ejemplo de dos puntos del mapa isoconsumo del motor térmico.elaboración propia. Página 86

87 3-6. Situaciones o escenarios de uso Un vehículo eléctrico de rango extensible puede definirse por los kilómetros que puede realizar en modo puramente eléctrico (determinados a través de un ciclo de homologación). La terminología empleada es E seguido del número de kilómetros que puede recorrer en dicho modo, es decir un E30 es un vehículo que puede recorrer 30 kilómetros sin emisiones locales. Su capacidad de obtener un mayor Exx depende fundamentalmente de la batería, pues se supone que las características del vehículo ya está prefijadas (ej. el chasis) y la conducción, para poseer una referencia uniforme no dependiente del conductor, es fijada por el ciclo estándar de homologación. Pueden definirse diferentes escenarios de uso cotidianos: 1- El conductor, Figura 38, vive en ciudad, hace tareas en ciudad, sale a una zona extraurbana y luego vuelve a su origen Figura 38. Escenario posible 1. Elaboración propia. 2- El conductor, Figura 39, vive en las afueras, va a trabajar a la ciudad Figura 39. Escenario posible 2. Elaboración propia. Idealmente, se deberían desarrollar una serie de escenarios más precisos, basados en estadísticas de uso real, pero se deja para futuros desarrollos estas Página 87

88 opciones, debido al considerable tiempo que llevaría procesar y traducir estos datos en escenarios realmente representativos. Todos estos escenarios se pueden hacer con los diversos ciclos descritos previamente. Se puede hacer con el Ciclo Europa (menos realista pero permite tener buena referencia) o con el Ciclo Artemis (al tener más transitorios es más realista y exigente, pero hay pocas referencias d otros coches). Queda por tanto patente que serán los escenarios de uso y grado de electrificación (Exx) los que determinen principalmente la capacidad de la batería a emplear Dimensionado de las Baterías El modelo creado ofrece la posibilidad de obtener los valores para el correcto dimensionado de las baterías. Dado que en recientes estudios científicos se ha comprobado que mediante el uso de algoritmos de gestión óptima de baterías se puede reducir la capacidad necesaria, resulta conveniente y de alto interés trabajar en la búsqueda de la estrategia óptima. Las estrategias en las que se combina el uso frecuente del motor térmico y del motor eléctrico pueden necesitar baterías de menor capacidad que los que funcionan normalmente en modo únicamente eléctrico, y por tanto reducir significativamente el coste total. Como ha sido evaluado en [GAUC09] y [REN_08], se puede buscar un equilibrio entre el uso energético óptimo y la capacidad de las baterías, partiendo además en función de la distancia a recorrer y el precio del combustible fósil y la electricidad. Se han de buscar algoritmos que permitan unas baterías de menor capacidad y coste sin comprometer la eficiencia energética y las prestaciones del vehículo. Dos estrategias de control energético fueron comparadas, análogas a las de termostato y de charge-sustaining, a lo largo de distribuciones estocásticas de distancias y ciclos de conducción. Una primera conclusión alcanzada es que la estrategia de termostato requiere baterías de alta energía específica, y aumenta en general los requerimientos eléctricos dado la mayor agresividad de carga y descarga global, lo que encarece el coste del conjunto. Página 88

89 En concreto se encontró que para baterías de baja capacidad la estrategia charge-sustaining resulta más eficaz y requieren menor coste operativo (coste inicial baterías más coste energético). Por el contrario, para altas capacidades de batería la estrategia de termostato resulta ligeramente más eficaz. En la Figura 40 se muestra como el modo termostato (llamado CDCS en la gráfica) implicar mayores costes totales que la charge-sustaining (llamada también blended ), en especial para baterías de baja capacidad, tendiendo a equipararse para las de mayor capacidad. Figura 40. Coste en función del tipo de estrategias y capacidad de la batería. [MOUR10]. Por el contrario el consumo energético es superior, aunque también tiende a igualarse para mayores capacidades de batería, ver Figura 41. Figura 41. Consumo energético en función del tipo de estrategias. [MOUR10]. Así mismo la estrategia de charge-sustaining tiene una mayor eficacia con respecto a la de termostato para recorridos de conducción largos. Página 89

90 La función de costes de operación, para una distancia recorrida fija, resulta ser una función convexa. Inicialmente las prestaciones decrecen a medida que aumenta la capacidad de la batería (debido al peso añadido). En la Figura 42, que se presenta a continuación, se muestra el ahorro que produce la estrategia de charge-sustaining comparada con la de termostato en función de la capacidad de la batería y la distancia. Figura 42. Comparación del ahorro de coste, según el tipo de estrategias, la capacidad de la batería y la distacia diaria recorrida. [MOUR10] La tercera conclusión alcanzada es que la estrategia charge-sustaining resulta especialmente interesante cuando los precios del combustible son bajos, ver Figura 43, como resulta lógico, pues hace un mayor uso del motor de combustión que la estrategia de termostato. Figura 43. Igual que la anterior en función de la ratio precio del petróleo/electricidad. [MOUR10] Página 90

91 donde Beta es un ratio entre el precio del combustible fósil y el precio de la electricidad. A mayor Beta, más caro es el combustible respecto a la electricidad. Todo ello nos lleva a tener una visión más global del diseño vehículo, no sólo centrándonos en minimizar el gasto energético, sino también teniendo muy presente el dimensionamiento de la batería, que tendrá un fuerte impacto en el coste de adquisición del vehículo y que puede ser una importante barrera a la hora de que los vehículos híbridos y eléctricos consigan implantarse en la sociedad de un modo que no sea minoritario Estudio económico En este apartado se detallan los diferentes costes que se consideran para la puesta en marcha y operación del proyecto. Asimismo se identifican los posibles ingresos que se generarían a partir del funcionamiento de esta propuesta Definición de costes Para facilitar la comprensión de los costes que implican la puesta en marcha y la operación de este proyecto, éstos se clasifican en tres tipos: a. Costes iniciales o de inversión. b. Costes fijos. c. Costes variables. Como su nombre lo dice, los costes iniciales o de inversión son aquellos en los que se incurre para poner en marcha la idea o proyecto, y que se realizan por única vez al principio del proceso de implantación. Los costes iniciales de este proyecto son de hardware y mobiliario y equipo: a.1. Un ordenador con capacidad suficiente para el procesamiento de modelos de simulación (procesador intel core i7 2600, 3.4GHz y 8 gb DDR3 de RAM): 800 Euros. a.2. Una impresora laser a color a x 600dpi: 140 Euros. a.3. Mobiliario y equipo. Una mesa de trabajo, dos sillas, dos mesas auxiliares, una librería: 600 Euros. a.4. Hardware in the loop Simulation (HILS). Para este coste se contemplan dos opciones. Página 91

92 -Opción i: Propuesta por parte del Institute for Internal Combustion Engines and Thermodynamics de Graz, Austria. FASE 1 Tiempo ejecución Coste propuesto 1 Análisis del interfaz y software 5 meses Análisis de los datos del automóvil y 7 meses métodos 3 Análisis de las mejoras y líneas de 5 meses actuación para la homologación global 4 Reuniones con fabricantes y grupos de 7 meses interés 5 Análisis del trabajo de preparación para implementar el HILS 4 meses FASE 2 Tiempo ejecución Coste propuesto 1 Análisis detallado del procedimiento de 5 meses ensayo para determinar los parámetros de entrada del HILS 2 Análisis de las mejoras y líneas de 5 meses actuación para el ensayo de componentes 3 Mejoras para el futuro desarrollo 4 meses Opción ii: construcción propia de un HILS. Oferta de hardware y software dada por parte de National Instruments - Chasis Simulador de 8 ranuras (NI PXI-1042) Power Cord, 240V, 10A, U.K Power Cord, 220V, 10A, Swiss Power Cord, 240V, 10A, Euro, Right Angle Tarjeta de Procesador en Tiempo Real de Bajo Costo (NI PXI-8101 RT) (Incluido en el precio). - Interfaces de E/S NI PXI-7851R LX30 Multifunction RIO (8 AI, 8 AO, 96 DIO) (Incluido en el precio) NI 9932 Backshell with 10-pos connector block (qty 1) (Incluido en el precio) Página 92

93 NI 9940 Backshell for 36-pos connector block (qty 1) (Incluido en el precio) Módulo de Salida Digital Tipo Sinking de 60V - 32 canales con ISO (NI 9477) (Incluido en el precio) SCB-68 Noise Rejecting, Shielded I/O Connector Block (Incluido en el precio) SHC68-68-RMIO Shielded Cable, 68 pin D-Type to 68 pin VHDCI, 1m (Incluido en el precio) SHC68-68-RDIO Shielded Cable, 68 pin D-Type to 68 pin VHDCI, 1m (Incluido en el precio) NI slot R Series Expansion Chassis for C Series I/O (Incluido en el precio) Módulo de Entrada Analógica de 60V - 8 canales con ISO (NI 9221) (Incluido en el precio) Módulo de Salida Analógica de 10V - 16 canales con ISO (NI 9264) (Incluido en el precio) Módulo de Entrada Digital de Lógica TTL de 34V - 32 canales con ISO (NI 9426) (Incluido en el precio) NI pin D-Sub connector kit (Incluido en el precio). - Interfaces de E/S Adicionales. - Software de Configuración Listo para Usarse. NI VeriStand (Incluido en el precio). - Interfaces de Bus Tarjeta de Interfaz CAN (NI PXI-8513/2) (no incluido, en precio base. Cuesta 1,549 ) Total Existen además una serie de opciones, como diferentes toolboxes de software como los de LabVIEW, pero en un principio no resultan imprescindibles y si que incrementarían sensiblemente el precio total. Los costes fijos, que se presentan de forma periódica y que se relacionan con el funcionamiento ordinario del proyecto son, principalmente, los de personal y licencias. Página 93

94 b.1. Sueldo de un ingeniero industrial recién titulado: brutos mensuales. b.2. Compra de licencia académica del software (MatLab): 900 Euros. Finalmente, los costes variables relacionan aquellos que no corresponde a los de inversión o iniciales y que no son periódicos. En este proyecto se identifican los siguientes costes variables: c.1. Uso del banco de experimentación Estimación de costes En la siguiente tabla se exponen el flujo mensual de costes para el primer año de funcionamiento del proyecto. Mes -A- Costes iniciales Opción i -A- Costes iniciales Opción ii -B- Costes fijos -C- Costes variables Costes totales A+B+C Opción i Costes totales A+B+C Opción ii Totales al primer año de funcionamiento Posibles fuentes de retorno Las posibles fuentes de retorno estarían determinadas por los ingresos que factibles de generarse a partir de la puesta en marcha de este proyecto, sean directos o indirectos. Página 94

95 Los ingresos directos refieren a aquellos que se producirían por dos vías: a. La enajenación del producto/software. b. El servicio de asesoría. Los ingresos indirectos serían producidos a través de los beneficios que el proyecto generase en otras áreas o productos. En este caso pueden obtenerse ingresos a través del desarrollo de otras aplicaciones derivadas de ésta. Aunque en la fase en la que se encuentra el proyecto no permite aun realizar estimaciones precisas, los ingresos vendrían por vía de colaboraciones o encargos por parte de diversas empresas del sector automovilístico español, en especial de vehículos comerciales, del grupo Working Party on Pollution and Energy de la UNECE. Página 95

96 Capítulo 4 Análisis de los resultados Página 96

97 4-1. CONTEXTO DEL ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Por razones obvias, no se pretende realizar aquí una descripción completa de todos los detalles técnicos o comerciales de la forma en la que opera un vehículo híbrido, ni se presentarán en general valores reales de consumos energéticos, de combustible, etcétera, sino del orden de magnitud, a fin de que el lector pueda hacerse una idea de la importancia y naturaleza de las variables, del tamaño o la dificultad de resolución de cada problema, y la comparación relativa de las soluciones desarrolladas. La optimización de un vehículo híbrido en serie es uno de los principales problemas de la ingeniería de automoción que están lejos de su madurez. Con la metodología expuesta en este Proyecto fin de carrera se ha logrado solucionar el problema específico que se presentan en el Capítulo anterior. Además, se han conseguido grandes progresos, abriendo nuevas líneas de investigación para otros problemas similares. No obstante, hay que recordar, antes de abordar el detalle de los resultados obtenidos, y que siguen en el contenido de este texto, que aún falta un largo camino por recorrer para obtener una solución definitiva de este tipo de problemas. A continuación se presentan resultados para dos estudios diferentes: -Comparación de los resultados obtenidos mediante el modelo con los parámetros de salida de un vehículo real de las mismas características, y que constituye, por tanto, una validación del sistema. -Determinación de la estrategia óptima del uso energético. 4-2.VERIFICACIÓN DEL SISTEMA Una vez completada la herramienta de simulación es necesario cuantificar el éxito de la aplicación de la misma bajo ciertas circunstancias. Diversas técnicas han sido propuestas en las últimas décadas; sin embargo, como demostraron los estudios de control y estabilidad de problemas realizados, en la primera validación que se realice del sistema, se deben comparar los resultados.obtenidos en la simulación con los datos empíricos que se posean. Página 97

98 De esta manera, se puede demostrar la bondad y la capacidad de cálculo de la herramienta desarrollada, en su aplicación a diversos modelos reales provenientes de la industria. Además, este estudio pretende un objetivo de ajuste de partida. Con la finalidad de obtener el modo de funcionamiento óptimo del sistema, los parámetros del modelo son cambiados hasta que los resultados simulados se aproximen a los datos proporcionados por los diferentes tests llevados a cabo en el laboratorio. Es lo que en terminología anglosajona se conoce como matching process. Estos modelos están dentro de una realidad cambiante y existen factores altamente volátiles a lo largo del tiempo, por lo que no son exactos y continuamente deben ser actualizados. Pero sí proporcionan una solución de partida óptima, en la que aplicando pequeños cambios, según las circunstancias en las que se encuentran, se puede obtener enormes beneficios, permitiendo mejorar en buena medida la calidad de los consumos eléctricos y de combustible de los vehículos híbridos. Para determinar los objetivos explicados anteriormente, se ha realizado la comparación de los resultados obtenidos en la simulación del vehículo híbrido con los datos de consumo proporcionado por el fabricante. El problema consta de las siguientes características: (condiciones de ensayo) -Ciclo Europa (NEDC): Se realiza un Ciclo Europa completo, o sea, comprendiendo tanto el subciclo urbano, como el extraurbano. Se trata de un ciclo con pocos transitorios y no muy exigente en cuanto a prestaciones. Es fácil, por consiguiente, de llevar a cabo ensayos pero, por el contrario, se halla alejado de los patrones de conducción reales. El motivo de la utilización del ciclo Europa (NEDC) como referencia es que se trata del ciclo empleado actualmente para la homologación de los vehículos en Europa. Lo cual implica que disponemos de una suficientemente amplia gama de vehículos, con los que se pueden confrontar valores reales respecto a los del modelo. Página 98

99 -Parámetros del vehículo: Los parámetros del vehículo empleados son los referentes tanto a las características de su chasis como de sus elementos de propulsión; es decir, desde los factores que condicionan la resistencia al avance hasta las características fundamentales de los motores. El vehículo de referencia seleccionado para validar el funcionamiento, en modo puramente eléctrico, es el Mitsubishi imiev, puesto que se trata de uno de los pocos vehículos de los que se disponen suficientes datos y posee unas características análogas a las del modelo, cuando este último funciona en modo puramente eléctrico. A continuación se muestran los parámetros de los que se parten: Motor de propulsión y transmisión: Potencia nominal 35 KW Potencia máxima 47 KW Par máximo 180 Nm Rpm max Relación de transmisión 6 Rendimiento cadena cinemática 0,9 Batería: Capacidad Voltaje Energía máxima almacenable 48 Ah 330 V 16 KWh Dinámica del vehículo: Peso en vacío 1195 Kg Cx 0,33 Area frontal 2,13 m 2 Densidad del aire 1,15 Kg/m 3 Radio de la rueda 28,67 cm Coef resistencia rodadura 0,012 Página 99

100 Finalmente, las características de la simulación y los resultados obtenidos, para cuando el vehículo funciona en modo eléctrico puro, se muestran en la tabla que sigue a continuación: Real Simulación Consumo energético (KWh/100km) 13,5 12,9 Esto supone que tan sólo se produce un error del 4,5%. No obstante, existe un cierto margen de incertidumbre por el que no se puede asegurar completamente la validación. Ello es debido, en primer lugar, al desconocimiento que se tiene de ciertos parámetros respecto a algunos de los elementos del vehículo real. Así, por ejemplo, no se conocen los parámetros reales del inversor que se ha empleado, por lo que en el modelo se han utilizado determinados valores genéricos que, sin embargo, podrían distar en una cierta medida de los que posee el imiev. También se desconocen con exactitud, dado que el fabricante no los provee, los datos de potencia de elementos auxiliares que repercuten en el consumo, como son la refrigeración de las baterías, la refrigeración de la electrónica, la bomba de la dirección asistida o la bomba del circuito de frenos. Por tanto, se han tomado unos valores supuestos, a partir de valores si conocidos de otros vehículos y adaptándolos a los esperados requerimientos del imiev. A continuación se muestran dichos datos: Potencia(W) % Uso Potencia media(w) Refrigeración de electrónica Refrigeración de baterías Circuito de frenos Dirección asistida TOTAL 1910 Se ha de observar que existen otros elementos auxiliares que no han sido tenidos en cuenta, como son el alumbrado o el sistema de aire acondicionado, Página 100

101 debido a que no son evaluados durante los ensayos de homologación, al menos no con el ciclo Europa (NEDC). Se ha analizado la capacidad que posee el motor de seguir la consigna de velocidad que marca el ciclo, como se muestra a continuación: Fig. 3 Velocidad del rotor del motor propulsor Debe notarse que el eje de abscisas muestra la evolución temporal, de 0 hasta 1180 segundos, mientras que en el eje de ordenadas se refleja la velocidad en radianes por segundo. A primera vista, se puede apreciar que la velocidad real del rotor (línea amarilla) apenas difiere de la consigna impuesta por el ciclo (línea morada). Acercándonos más para analizar esta diferencia: Fig. 4 Velocidad Rotor (rad/s), real (amarillo) vs consigna (morado) Página 101

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