Repositorio Institucional de Documentos

2 3 TABLA DE CONTENIDOS 1 OBJETIVO Y ALCANCE ……………………………………………………………………5 2 INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………….7 2.1 Historia de la propulsión eléctrica en turismos…………………………………8 2.2 Situación actual……………………………………………………………………9 2.3 Justificación ……………………………………………………………………...10 3 ARQUITECTURA HÍBRIDA……………………………………………………………….11 4 HERRAMIENTAS DE TRABAJO…………………………………………………………13 5 MODOS DE FUNCIONAMIENTO………………………………………………………...15 6 DIAGRAMA DE BLOQUES………………………………………………………….…….17 7 MODELO DE SIMULINK…………………………………………………………………..19 7.1 Parametrización………………………………………………………………….20 7.2 Simulación………………………………………………………………………..22 7.3 Descripción operadores y bloques comunes…………………………………23 8 OPTIMIZACIÓN Y SIMULACIONES……………………………………………………..27 9 CONCLUSIONES…………………………………………………………………………..31 10 LÍNEAS FUTURAS DE DESARROLLO………………………………………………..33 11 DEFINICIONES……………………………………………………………………………35 12 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………37 ANEXOS A Descripción modelo híbrido……………………………………………………...39 B Curva de par motor con máxima eficiencia…………………………………….81 C Obtención tablas de eficiencia…………………………………………………..83 D Descripción modelo térmico……………………………………………………..87 E Distribución fuerza de frenado…………………………………………………..91 F Tabla de características de baterías……………………………………………95 4 5 1 OBJETIVO Y ALCANCE a En este trabajo se pretende analizar el control, gestión y funcionamiento del sistema de propulsión de un vehículo híbrido térmico-eléctrico, así como la optimización energética y económica del mismo. Para ello, se ha construido un modelo con el programa Simulink de Matlab que nos permite cumplir varios objetivos. El principal objetivo es analizar qué opciones de funcionamiento están disponibles en cada momento y cuál es su efecto en el rendimiento energético del vehículo. También se pretende observar cuál es el efecto en dicho rendimiento de la variación de distintos parámetros de construcción del vehículo, algunos comunes a todos los vehículos (masa del vehículo, coeficiente aerodinámico, etc) y otros exclusivos de los HEVs (potencia del motor eléctrico, peso de baterías, etc). Además, el modelo incluye la capacidad de distinguir entre conducción urbana e interurbana y adaptarse a cada una. Por último, se incluye un análisis económico que incluye el gasto de combustible y el coste asociado a la reposición de baterías, pudiendo compararse el coste total para distintas configuraciones del sistema híbrido y éstas con un vehículo equivalente sin mecánica híbrida. Dado que este modelo compara la eficiencia de la mecánica híbrida al cambiar sus características o frente a una mecánica convencional no se han incluído las pérdidas de rendimiento asociadas a elementos comunes (o muy similares) como caja de cambios, diferencial, resistencias internas del motor, etc. Al ser éste un estudio enfocado a buscar la máxima eficiencia del vehículo se asume que el modelo será simulado bajo condiciones de conducción regular, alejada de conducciones muy deportivas o en asfalto deslizante. Por ello, se asume que los neumáticos estarán alejados del límite de adherencia, tanto en frenada como al traccionar, que no se requerirá demasiados cambios de marcha, etc. Se ha definido el vehículo modelado en este estudio como híbrido térmico-eléctrico, y se hace referencia a lo largo del trabajo al motor térmico, denominándolo así para distinguirlo del eléctrico, pero conviene aclarar que este estudio se ha llevado a cabo considerando que el motor térmico es un motor alternativo de combustión interna (MACI), tanto de explosión provocada (motor de gasolina) como de explosión por combustión (motor Diesel). 6 7 2 INTRODUCCIÓN Hoy en día, en una sociedad que cada día manifiesta una mayor conciencia ecológica, el problema del calentamiento global está más presente que nunca. Diversas previsiones advierten del peligro de desaparición de especies, de aumento del nivel del mar por deshielo de los casquetes polares, de radiaciones ultravioletas deficientemente bloqueadas por una capa de ozono cada vez más dañada, etc. El transporte es la principal fuente de consumo energético en España con un 25%, del cual un 80% se debe al transporte por carretera, y hasta un 98% de todo el transporte es propulsado por derivados del petróleo. Similares cifras se pueden encontrar en el resto de países desarrollados. Los derivados del petróleo son en buena parte responsables de la escalada en emisión de dióxido de carbono en las últimas décadas 1, como puede verse en la figura 2.1. El dióxido de carbono es consecuencia de la vida y necesario para ella, pero el exceso de éste contribuye al temido efecto invernadero. Está claro que para evitar unos niveles insostenibles de gases contaminantes hay que sustituir paulatinamente los motores de propulsión de vehículos de combustibles fósiles por motores eléctricos. A ello hay que sumar que el petróleo es un bien no renovable y cuyas reservas disminuyen a un ritmo que se acelera cada año. Las dificultades para estimar el aumento en consumo de derivados del petróleo, así como la presencia de fuentes aún sin descubrir del mismo, propician que cada estudio llevado a cabo dé datos muy distintos sobre cuánto tiempo podremos seguir contando con este combustible fósil. Como orientación, la previsión British Petroleum 20012 estima esta cifra en 40 años. Figura 2.1 Evolución de las emisiones de carbono por combustibles fósiles en los últimos dos siglos. 8 Historia de la propulsión eléctrica en turismos El motor eléctrico se ha encontrado, a lo largo del pasado siglo, duras barreras que se han opuesto a su implementación, y la tecnológica no ha sido la que más dificultades le ha planteado. De hecho, el primer vehículo eléctrico fue construido por Gustave Trouvé en 1881 (7 años antes de que Kart Benz produjera el primer automóvil propulsado por gasolina), en 1899 aparecieron en Bélgica y Francia los primeros vehículos híbridos en paralelo y en 1901 Ferdinand Porsche diseñó el primer vehículo híbrido en serie. El primer problema de los vehículos eléctricos e híbridos fue económico. Durante las primeras décadas del siglo XX se vivió en Estados Unidos una segunda fiebre del oro, y el llamado “oro negro” acabó con el desarrollo de los vehículos eléctricos gracias a su elevada densidad energética y su reducido precio. El segundo obstáculo fue político, y es que algunas de las entidades más influyentes del mundo se verían perjudicadas económicamente en caso de una reducción de la dependencia energética del petróleo. Al final, la situación ecológica se volvió lo bastante insostenible para que en los años 90 se lanzara al mercado el primer coche híbrido moderno, el Toyota Prius. A lo largo de la siguiente década diversos fabricantes (principalmente en Japón) se sumaron a esta iniciativa, mientras otros (cabe destacar Renault) se decantaron por desarrollar vehículos puramente eléctricos. En la gráfica de la figura 2.2 se pueden ver las previsiones de implantación de distintos tipos de vehículos ligeros (híbridos o no) encaminadas a cumplir con las expectativas de reducción de emisiones contaminantes del escenario Blue Map, planteado como objetivo por la IEA (internacional Energy Agency) 3. Figura 2.2 Previsión de ventas de vehículos ligeros para cumplir con las el escenario Blue Map. 9 Situación actual Actualmente, existen una gran cantidad de vehículos (en circulación o prototipos) que utilizan un motor eléctrico para impulsarse. Atendiendo a la fuente de energía del motor eléctrico podemos dividirlos en EV (Electric Vehicle - Vehículo Eléctrico), HEV (Hybrid Electric Vehicle - Vehículos Híbrido Eléctrico) y PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle - Vehículo Híbrido Eléctrico Conectable). Los EVs constan únicamente de motor eléctrico (uno o varios) cuya única fuente de energía son sus baterías y la energía que pueda recuperar mediante un sistema de frenada regenerativa. Los HEVs utilizan tanto motor eléctrico como motor térmico, obtienen energía de éste último y de las frenadas. Los PHEVs constan de motor eléctrico y térmico, y reciben energía de las baterías, del motor térmico y de las frenadas. Conviene aclarar que los HEVs también constan de baterías, pero éstas son recargadas por el motor térmico, mientras en los EVs y los PHEVs se deben conectar las baterías a la red eléctrica para ser recargadas. El principal problema de los EVs es la energía que las baterías pueden almacenar, ya que con la tecnología de hoy en día un vehículo así propulsado no puede cubrir distancias medias-largas sin precisar de una recarga que puede durar horas. Otro problema lo comparten con los PHEVs, y es que la mayoría de redes eléctricas no tienen capacidad suficiente para suministrar suficiente energía de recarga en caso de una eventual masificación de estos vehículos. A corto plazo, los HEVs se presentan como la mejor solución para reducir emisiones contaminantes (como puede comprobarse en la Figura 2.2) pues, a pesar de no ser tan limpios ni eficientes como los EVs o PHEVs, permiten una implantación sin apenas impacto en las infraestructuras energéticas ni en los hábitos de los conductores. 16 Frenada regenerativa (5) Este modo está activo mientras el coche está frenando y la carga de las baterías es inferior a la máxima. Las ruedas delanteras hacen funcionar al motor eléctrico como generador, recargando las baterías y frenando al vehículo. En caso de que la potencia de frenada sea superior a la potencia que puede absorber el motor eléctrico como generador se aplica también un par de frenado mediante los discos de freno. Térmico puro (6) Existen situaciones en las que el vehículo requiere una potencia aproximadamente constante que, con una relación de transmisión adecuada, permitiría al motor térmico trabajar cerca de su punto óptimo en cuanto a eficiencia. Dichas situaciones podrían fácilmente encontrarse al circular a una velocidad media-alta en carretera. En este caso, forzar al motor térmico a dar más potencia para transformar la parte sobrante en energía eléctrica (con las pérdidas en transmisión, conversión, almacenamiento y posterior uso que ello conlleva) supone una merma en la eficiencia, aparte de un desgaste innecesario de ciertos elementos de la planta propulsora. Para ello se incluye este modo que evalúa si circulando con la marcha más alta el rendimiento del motor sería igual o superior al máximo que se podría obtener haciendo trabajar tanto al motor térmico como al eléctrico en su punto de máxima eficiencia, en cuyo caso el motor eléctrico se apaga y el vehículo se comporta como un vehículo convencional con motor térmico. A efectos de cálculo se ha supuesto que en todas las situaciones en las que no se requiere potencia del motor térmico éste permanece apagado, lo cual es válido en la realidad para la mayoría de situaciones dados los modernos avances en materia de arranque rápido de MACIs (numerosos vehículos incorporan hoy en día tecnología start-stop para apagar el motor en detenciones de la marcha). El tiempo de duración del ciclo de carga-descarga de las baterías es mucho mayor que el tiempo que se invierte en apagar o encender el motor térmico, de ahí que mientras el vehículo avanza propulsado sólo por las baterías se pueda apagar por completo el motor térmico sin afectar a la marcha. Sin embargo, en el modo de funcionamiento eléctrico a baja velocidad se puede dar el caso de que los ciclos de alternancia entre propulsión eléctrica pura e híbrida sean muy breves y no sea conveniente apagar el motor sino desacoplarlo del acoplador de par y mantenerlo al ralentí mientras no se requiera de su potencia. No obstante, el consumo del motor en estas situaciones sería lo bastante bajo como para despreciarlo, de ahí que en las simulaciones se considere que el motor se apaga cada vez que no entrega par a la planta propulsora, sin que ello repercuta significativamente en los cálculos. 17 6 DIAGRAMA DE BLOQUES El funcionamiento del modelo construido con el programa Simulink aparece descrito, en términos generales, mediante el diagrama de bloques mostrado en la figura 6.1. Figura 6.1. Diagrama de bloques del modelo de Simulink. Dinámica Contiene la descripción, en términos de velocidad y aceleración, de la marcha del vehículo, y calcula la fuerza motriz y de frenado necesarias para satisfacerlos. A partir de los datos de aceleración y velocidad del vehículo se calculan las resistencias aerodinámica y por rodadura que debe vencer el vehículo y la fuerza motriz necesaria para satisfacer las necesidades de marcha requeridas por el conductor. Dado que el motor eléctrico se encuentra en el eje delantero éste sólo obtiene energía cinética de las frenadas de las ruedas delanteras. Para aprovechar al máximo esta energía y cumpliendo con la regulación ECE (ver Anexo E) se establece una ratio de frenado de las ruedas delanteras de 0.8 (lo que indica que el 80% de la fuerza de frenado es aplicado por las ruedas delanteras), que cumple con los requerimientos de frenado al circular por un firme con agarre favorable. Otras funciones de los sistemas asociados a la dinámica son la distinción entre conducción en ciudad y en carretera y la capacidad de detectar cuándo el vehículo está manteniendo una velocidad aproximadamente constante. 18 Caja de cambios Controla el funcionamiento de la transmisión, evitando que el motor trabaje fuera de su rango de régimen de giro admitido y buscando la máxima eficiencia del mismo. El sistema opera de forma que el régimen de giro del motor térmico no sea en ningún momento superior a 5000 rpm ni inferior a 1000 rpm. Además, calcula el rendimiento que se obtendría del motor térmico en una marcha inferior o superior y, si es posible, efectúa un cambio de marcha. Para evitar incomodidades en la conducción no se aplican cambios de marcha (salvo en caso de salirse de los límites de régimen de giro) si el vehículo está en plena aceleración, y después de cada cambio de marcha transcurren unos segundos hasta que se pueda volver a cambiar de marcha. Control En este bloque se gestiona la selección de los modos de funcionamiento y simula la operación de los mismos. Para ello, controla, mediante los modos de funcionamiento, en qué punto de trabajo funcionan el motor térmico y eléctrico para cumplir con los requerimientos de potencia y para mantener el nivel de carga de las baterías dentro de los límites óptimos. Estos límites se han tomado como el 50% y el 70% de la carga máxima de las baterías, pero para evitar que como consecuencia de una solicitud puntual elevada de potencia el nivel de carga caiga por debajo del 50% el sistema de control mantiene una cierta reserva de energía por encima de este nivel. Este margen en el nivel mínimo de carga depende del escenario en el que se esté trabajando. Si el sistema detecta que se está circulando en ciudad reserva la energía necesaria para realizar una aceleración de 0 a 50 km/h. Si detecta que la conducción es propia de una vía interurbana, reserva la energía necesaria para afrontar una recuperación de 80 a 120 km/h. Análisis Aporta información sobre el funcionamiento del sistema, dividido en tres aspectos: análisis de potencia, análisis de rendimiento y análisis económico. Con el análisis de potencia se comprueba que no se le exija al motor eléctrico más potencia de la que puede suministrar ni que el nivel de carga de las baterías baje por debajo del mínimo. Además, se puede ver el margen de maniobra restante en caso de querer reducir la potencia máxima del motor eléctrico. En el análisis de rendimiento se puede comprobar la eficiencia instantánea y acumulada de los motores térmico y eléctrico. Para cada uno de ello se dan varios valores de rendimiento acumulado, correspondientes a cada modo de funcionamiento en el que pueden intervenir, lo que permite comprobar qué modos están funcionando de forma óptima y cuáles no. El bloque análisis económico calcula el coste previsto del vehículo híbrido a los 200.000 kms derivado del consumo de combustible y reposición de baterías. Permite comparar la conveniencia de una configuración de parámetros del sistema híbrido frente a otra y también frente a un vehículo con mecánica convencional. 19 7 MODELO EN SIMULINK Para simular el funcionamiento del sistema de propulsión híbrida de un vehículo se ha construido un modelo con el subprograma de MATLAB Simulink, mostrado en la figura 7.1. Dada la complejidad de este sistema, aparecen subsistemas incluidos en subsistemas superiores formando varios niveles de jerarquía. Por ejemplo, el subsistema que gestiona la caja de cambios contiene en su interior un subsistema que calcula la conveniencia de cambiar de marcha para aumentar la eficiencia del MACI y éste a su vez contiene un subsistema que calcula la eficiencia de éste. Figura 7.1. Modelo de vehículo híbrido de Simulink. Este modelo está almacenado en el archivo de Simulink (extensión .mdl) “modelo_híbrido” 20 Parametrización Buena parte de los parámetros que describen el vehículo y su sistema de control han sido definidos como variables algebraicas que pueden ser introducidas en la ventana de comandos de MATLAB para ver el efecto que su valor tiene en el funcionamiento del sistema. De esta forma, el modelo funciona como un programa que permite simular diversas configuraciones de vehículo híbrido paralelo, variando parámetros constructivos (masa de baterías alojadas, coeficiente aerodinámico, etc), mecánicos (relaciones de la caja de cambios, índice de transmisión del acoplamiento del motor eléctrico, etc), operativos (eficiencia de las baterías, potencia de los motores) o de control (índice de carga máxima admitida para las baterías, tiempo de detección de velocidad constante, etc). En la tabla 7.1 aparece el conjunto de variables algebraicas configurables utilizadas en el modelo. m Masa del vehículo m=1300 kg coef_r Coeficiente de rodadura coef_r=0.015 - cx Coeficiente aerodinámico cx=0.38 - area Área frontal del vehículo area=1.67 m2 i1 Índice de transmisión en 1ª i1=4 - i2 Índice de transmisión en 2ª i2=2 - i3 Índice de transmisión en 3ª i3=1 - i4 Índice de transmisión en 4ª i4=0.5 - i5 Índice de transmisión en 5ª i5=0.3 - marchas Número de marchas marchas = 4 - tvc Tiempo de detección velocidad constante tvc = 2 s ivc Intervalo de detección velocidad constante ivc = 4 km/h pmt Potencia máxima del motor térmico pmt = 124.5 CV rend_b Rendimiento de las baterías rend_b = 0.85 - rpm_mx Régimen máximo antes de subir marcha rpm_mx = 5000 rpm rpm_mn Régimen mínimo antes de reducir marcha rpm_mn = 1000 rpm cPPS Carga máxima PPS cPPS = 3.6e6 J ie Índice de transmisión del motor eléctrico ie = 0.5 - vmin Velocidad mínima para el motor térmico vmin = 20 km/h pme Potencia máxima del motor eléctrico pme = 60.87 kW rend_t_m Máximo rendimiento del motor térmico rend_t_m = 0.343 - rend_e_m Máximo rendimiento del motor eléctrico rend_e_m = 0.90 - en_esp Energía específica de las baterías en_esp = 40 Wh/kg ciclos_v Ciclos de vida de la batería ciclos_v = 750 - pr_b Precio de baterías por unidad de energía pr_b = 100 €/kWh pr_c Precio de combustible por litro pr_c = 1.40 € Tabla 7.1. Parámetros configurables del modelo híbrido.4 5 La primera columna hace referencia al nombre identificativo de la variable en el modelo. En la segunda se describe brevemente cada variable. La tercera columna contiene los valores numéricos de cada parámetro. Copiando esta columna en la ventana de comandos de MATLAB el sistema queda parametrizado. La última columna indica las unidades en que debe ser introducida cada variable. Por defecto el sistema trabaja con una caja de cambios de 4 marchas, pero se puede simular el funcionamiento con 3 o 5 marchas. No obstante, se debe dar un valor a los 21 5 parámetros de índice de transmisión, aunque se utilicen menos de 5 marchas (las marchas no utilizadas pueden tener un índice cualquiera), ya que de otra forma el programa no hallará el valor de dichas variables en el modelo y dará un error al simular. Respecto a la dimensionalización de los motores térmico y eléctrico, se considerará que todos ellos mantienen la misma proporción entre su curva de par y la potencia máxima introducida. Para reflejar mejor esta relación, la figura 7.2 muestra la curva de par motor de dos motores eléctricos, uno con una potencia máxima de 100 kW y el otro 50 kW. Figura 7.2. Curva de par de dos motores eléctricos de 100 kW y 50 kW En algunos bloques (en general, relacionados con la potencia o eficiencia de los motores térmico y eléctrico) aparece como multiplicando el monomio “pmt/124.5” o “pme/60.87”. Esto es debido a que las funciones relativas al par motor o la potencia y las tablas de eficiencia han sido calculadas tomando como referencia los gráficos de par y eficiencia de sendos motores térmico y eléctrico de 124.5 CV y 60.87 kW, respectivamente. Con este término se ajusta el valor de los parámetros dependientes de la potencia del motor a la potencia del mismo en cada caso. 22 Simulación Una vez determinados los parámetros del vehículo se debe definir un ciclo de conducción, indicando en el bloque “Dinámica coche” (ver Anexo A) la velocidad y aceleración del vehículo durante dicho ciclo. Para ciclos sencillos (aceleración o velocidad constante) se puede obtener la velocidad integrando el valor de aceleración, pero para ciclos complejos se recomienda calcular cada una por separado. Para la mayoría de simulaciones se ha utilizado una señal que simula el ciclo de conducción urbano FTP-75, cuyos valores de velocidad y aceleración (en km/h y km/hs) aparecen tabulados en la tabla Excel “ciclo ftp”, incluida en el CD adjunto al trabajo. Con el fin de comprobar la mejora en el rendimiento de la mecánica híbrida frente a una convencional se incluye un modelo propulsado por esta última. Al compartir con el modelo híbrido la nomenclatura de las variables (obviamente aquéllas presentes también en un vehículo con mecánica puramente térmica) se puede trabajar con ambos modelos al mismo tiempo. Este modelo es reactivo respecto a los parámetros del ciclo de conducción introducidos en él. Esto quiere decir que el modelo puede simular ciclos que en la realidad no podría satisfacer. Para comprobar que el ciclo introducido en la simulación no rebasa las capacidades del vehículo parametrizado se incluye un subsistema de análisis de potencia (ver Anexo A, capítulo 14). 23 Descripción de operadores y bloques básicos Suma Da como resultado la suma (o resta) de sus entradas. Producto Calcula el producto de dos entradas. Al no existir un bloque cociente las divisiones se calculan mediante el inverso de uno de los dos multiplicandos. Ganancia Multiplica la entrada por un valor constante. Potencia Eleva la entrada superior a la potencia de la entrada inferior. En este modelo se utiliza introduciendo en la entrada inferior una constante de -1 para hallar el inverso de una señal. Integrador Calcula la integral de la señal de entrada. AND Da un valor de 1 si todas sus entradas son distintas de 0. OR Da un valor de 1 si al menos una de sus entradas es distinta de 0. NOT Da un valor de 1 si la entrada es igual a 0 y un valor de 0 en caso contrario. 24 Comparador Establece una relación entre la entrada superior y la inferior (mayor, mayor o igual, igual, etc.), dando un 1 si ésta se cumple y un 0 en caso contrario. Saturación Limita la salida de una señal dentro de un intervalo. Este bloque es utilizado a menudo en el modelo para evitar divisiones por 0. MinMax Da el menor o el mayor de los las dos señales introducidas. Quantizer Redondea la entrada al mayor número entero menor que ésta. Memoria Da el último valor que ha tomado la entrada en el anterior paso de integración (0.2 s). Zero-hold Cada periodo de tiempo ajustable toma el valor de la entrada y lo mantiene mientras dure este periodo. Transport Delay Devuelve la señal introducida retrasada un tiempo configurable. Interruptor Conecta la entrada superior a la salida si la entrada intermedia es igual o superior a un valor prefijado (denominado “threshold”, y que por lo general en este modelo es igual a 1). En caso contrario, conecta la entrada inferior. 25 Escalón Da un valor constante inicial hasta que se alcanza el tiempo de inicio, momento en el cual da un valor constante final. Pulse Generator Genera señales pulso de amplitud y frecuencia ajustables. Función Aplica una función matemática descrita en la ventana de opciones del bloque a la señal de entrada. Tabla 2D Da el elemento indicado tomando como índices las señales de entrada (la señal superior corresponde a la primera dimensión), siendo el valor 1 correspondiente al primer elemento (y así sucesivamente) e interpolando con índices no enteros. In Recibe la señal conectada al puerto de entrada correspondiente del subsistema. Out Envía la señal al puerto de salida correspondiente del subsistema. Goto Envía una señal a un puerto “From” con el mismo nombre. From Recibe una señal de un puerto “Goto” con el mismo nombre. 32 33 10 LÍNEAS FUTURAS DE DESARROLLO El modelo utilizado de Simulink ofrece unas enormes posibilidades de ampliación y mejora. Una primera modificación sería incluir una transmisión de dos marchas acoplada al motor eléctrico, que le permitiera trabajar en un punto más cercano al de máximo rendimiento. En términos constructivos, se podría utilizar un único engranaje planetario para disponer de dos relaciones de transmisión, con un espacio requerido muy contenido. La gestión de la recarga de energía de las baterías se basa en el máximo rendimiento obtenible en el motor térmico, pero esta condición implica en ocasiones que el motor, trabajando como generador, funcione en un punto de baja eficiencia. Se podría incluir una estrategia de control que buscara un punto óptimo de rendimiento de ambos motores. Una línea de investigación podría valorar el uso de un motor Stirling (de mayor eficiencia que un MACI) como motor térmico . Las principales desventajas de este motor son la fuerte dependencia de su rendimiento respecto al régimen de giro y un largo tiempo de calentamiento hasta poder entrar en funcionamiento. El primer problema se puede resolver utilizando un acoplador de velocidad, que permitiría ajustar el régimen de giro del motor Stirling para una eficiencia óptima. La segunda desventaja se puede eliminar manteniendo una carga inicial en las baterías que permita al vehículo moverse en modo puramente eléctrico hasta que el motor térmico haya alcanzado su temperatura óptima de trabajo. 34 35 11 DEFINICIONES MACI – correspondiente a las siglas Motor Alternativo de Combustión Interna, un tipo de motor térmico que engloba los dos tipos de motores comúnmente conocidos como “motor de gasolina” y “motor Diesel”. Motor térmico – máquina generadora de energía mecánica cuyo fluido de trabajo es compresible. A lo largo del trabajo se designa así al MACI empleado para distinguirlo del motor eléctrico. PPS – acrónimo proveniente de la expresión inglesa “Peaking Power Source” (“Fuente de Potencia de Punta), designa varios tipos de fuentes de energía utilizadas por el motor eléctrico en vehículos híbridos para servir de apoyo al motor térmico, como pueden ser baterías, ultracapacitores, volantes de inercia, etc. En este estudio este término hace referencia a las baterías. FTP 75 – proveniente del inglés Federal Test Procedures 75, consiste en una gráfica tiempo-velocidad que representa un ciclo de conducción que deben realizar los vehículos de carga ligeros en Estados Unidos desde el año 2000. Acoplador de par – mecanismo que suma el par de 2 o más fuentes de potencia. El par entregado por cada fuente puede ser ajustado independientemente, pero el régimen de giro de los ejes de entrada, así como el del eje de salida, mantienen una relación fija. 36 37 12 BIBLIOGRAFÍA - 1 "Marland, G., T.A. Boden, and R. J. Andres. 2007. Global, Regional, and National CO2 Emissions. In Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, United States Department of Energy, Oak Ridge, Tenn., U.S.A.". - 2 “BP statistical review of world energy – oil”, 2001, disponible en http://www.bp.com/downloads/837global_oil_section.pdf. - 3 Blue Map scenario, IEA (International Energy Agency). - 4 Merhdad Ehsani, Yimin Gao and Ali Emadi, Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles – Fundamentals, Theory and Design, Segunda Edición, Taylor & Francis Group, Boca Ratón, 2010. - 5 M. Maza Frechín, S. Baselga Ariño y J. Ortiz Sánchez-Lafuente, Problemas de Diseño de Vehículos, Kronos, Zaragoza, 2005. - Arias-Paz, Manual de Automóviles, 56ª edición, CIE Inversiones Editoriales Dossat, Madrid, 2006. 38 39 A. DESCRIPCIÓN MODELO HÍBRIDO NOMENCLATURA DE SEÑALES Se incluye aquí una relación de las abreviaturas usadas para las señales más utilizadas en el modelo y las unidades en que están expresadas. Nm t – par motor del motor térmico (Nm) rpm t – régimen de giro del motor térmico (rpm) Nm a – par motor del eje de salida del acoplador (Nm) rpm a – régimen de giro del eje de salida del acoplador (rpm) i – índice de transmisión de la marcha introducida ie – índice de transmisión del motor eléctrico en el acoplador de par v – velocidad lineal del vehículo (m/s) v cte – señal de detección de velocidad constante Fm – fuerza motriz aplicada sobre el vehículo (N) Ffreno_d – fuerza aplicada por las ruedas delanteras para detener el vehículo (N) modo – modo de funcionamiento del sistema híbrido rend – rendimiento energético cons 100 – consumo promedio a los 100 km (l/100 km) 40 DESCRIPCIÓN DE LOS BLOQUES En esta sección se hace una descripción de todos los bloques complejos (formados por varios bloques de la librería de Simulink) utilizados en el modelo híbrido, así como una figura mostrando su configuración interna. En el primer capítulo se describe una serie de bloques que son utilizados repetidas veces por distintos subsistemas, denominados “bloques comunes”. Cada uno de los siguientes capítulos describe un bloque del nivel superior del modelo. Dentro de la mayoría de estos capítulos se incluyen subcapítulos describiendo los bloques incluidos en ellos y así sucesivamente, siguiendo la jerarquía de control de los bloques en el modelo. 41 1 BLOQUES COMUNES 1.1 Desmultiplicador Funciona como un interruptor múltiple que, al introducir un número de marcha, devuelve su índice de transmisión (y el inverso de éste). Para evitar posibles problemas por división entre cero (si se introduce un número de marcha no entero el resultado del bloque suma es cero) el mínimo valor que entrega el bloque es igual al de la marcha más alta. Figura A 1.1. Bloque “desmultiplicador”. 48 3 CADENA RUEDA-ACOPLADOR Este bloque se encarga de transformar las variables lineales obtenidas en el bloque Dinamica_coche en variables rotacionales. En particular, calcula el par motor (Nm a) y el régimen de giro (rpm a) de la salida del acoplador de par, donde el motor térmico y el motor eléctrico suman su par con una relación de transmisión fija. El engranaje de salida del acoplador de par va al diferencial y éste se encarga de enviar el par a las ruedas delanteras y éstas al suelo. Este bloque no distingue entre fuerza motriz y fuerza de frenado. Conceptualmente la única diferencia es que en el caso del frenado el sentido de flujo de fuerza es el opuesto, es decir, son las ruedas las que envían potencia al motor eléctrico a través de diferencial y acoplador. Figura A 3.1. Bloque “Cadena rueda-acoplador”. 49 4 SELECTOR DE MARCHA Con este bloque se simula en qué marcha se está circulando. Tiene como entradas las señales booleanas “subir marcha” y “reducir marcha” y como salida la señal “marcha”, que indica qué marcha lleva engranada la caja de cambios. Para subir o reducir marcha se utiliza un integrador que integra una constante de 10 o de -10 respectivamente. Mediante una función retraso de 2 segundos se compara el valor de la integral con el que tenía 2 segundos antes. Cuando esta señal es superior en un 1 o inferior en 1 a la que tenía 2 segundos antes se anulan las señales de subir o reducir marcha mediante un bloque AND, con lo que el sistema deja de integrar durante, al menos, 2 segundos. Con ello se consigue que la salida aumente o disminuya con un valor entero. Un cuantizador a la salida del subsistema corrige alguna posible desviación del valor que pudiera haber y garantiza que la señal “marcha” sea siempre un número entero. Figura A 4.1. Bloque “Selector de marcha”. 50 5 IA CAJA DE CAMBIOS Este bloque se encarga de gestionar el funcionamiento de la caja de cambios para que el motor no trabaje fuera de los regímenes de giro adecuados y con la máxima eficiencia posible. Tiene como entradas el régimen de giro del eje de salida del acoplador de par (que es igual al régimen de giro del eje de salida de la caja de cambios), la marcha engranada, el par motor exigido al motor térmico, la velocidad del vehículo y el modo de funcionamiento del sistema híbrido. Sus salidas son las señales que ordenan al bloque “selector de marcha” subir o reducir de marcha. Figura A 5.1. Bloque “IA caja de cambios”. A las señales de salida llegan 3 pares de señales conectadas mediante bloques OR anidados, por lo que cualquiera de estos 3 pares puede activar las señales de subir o reducir marcha. Uno de los pares activa la señal de subir o reducir marcha si el régimen de giro del motor es mayor que el valor “rpm_mx” o menor que el valor “rpm_mn” respectivamente. El régimen de giro del motor térmico se obtiene multiplicando el régimen de giro a la salida del actuador (“rpm a”) por el valor obtenido del bloque “desmultiplicador”. Los otros dos pares de señales provienen de los bloques “comparador de consumos con diferentes marchas” y “comparador de consumos en modo recarga”. La salida de los dos últimos bloques OR anidados está unida mediante un bloque AND a una señal que está activada si la marcha engranada es inferior al número de marchas (en el caso del bloque OR que activa la señal “subir marcha”) o si es superior a 1 (en el caso del bloque OR que activa la señal “reducir marcha”). De esta forma, el sistema no intenta subir marcha cuando se circula en la más alta ni reducir cuando se circula en la primera. 51 5.1 Comparador de consumos con diferentes marchas La función de este bloque es comparar el rendimiento del motor térmico con la marcha actual y la que obtendría con una marcha inmediatamente superior e inmediatamente inferior entregando el mismo par al acoplador. En caso de que con una de las dos marchas más próximas pudiera obtener mejor rendimiento envía una señal para subir o reducir marcha, a condición de que otras 2 señales estén también activadas, gracias a dos bloques AND situados justo delante de las señales de salida del subsistema. Una de ellas es que el régimen de giro al subir de marcha o reducir marcha no sea inferior al mínimo ni superior al máximo permitido. La otra es la señal de entrada al subsistema “v constante”, y se activa cuando el vehículo lleva un determinado tiempo circulando a una velocidad contenida en un determinado intervalo. El objetivo de esto es evitar que el sistema intente cambiar repetidas veces de marcha mientras se está acelerando o decelerando, lo que entorpecería la conducción. El rendimiento del motor es función del par entregado y del régimen de giro, pero los valores de par y régimen de giro que aparecen como entradas al subsistema no se refieren al mismo punto en la cadena cinemática. La entrada “rpm a” se refiere al régimen de giro a la salida del acoplador, por lo que para obtener el régimen de giro a la salida del motor debemos multiplicar este valor por el índice de transmisión (para calcular el rendimiento en las marchas superior e inferior sumamos y restamos, respectivamente, una unidad a la marcha engranada antes de introducir su valor en el bloque “desmultiplicador”). La entrada “Nm t”, por otro lado, se refiere al par motor entregado por el motor. Para transformar el par motor a la salida del acoplador de par en par motor a la salida del motor debemos multiplicarlo por la inversa del índice de transmisión. Recíprocamente, al multiplicar el valor de par entregado por el motor por el índice de transmisión obtenemos el par aplicado en el acoplador, y así obtenemos el valor “Nm a” que aparece indicado y que, multiplicado esta vez por la inversa del índice de transmisión de las marchas superior e inferior nos proporciona el par exigido al motor en una marcha superior e inferior. Figura A 5.2 Bloque “Comparador de consumos con diferentes marchas”. 52 5.2 Comparación de consumos en modo recarga A diferencia de los otros modos de circulación, en el modo recarga el par motor entregado por el motor térmico no es un valor fijo externo al sistema híbrido dependiente de la aceleración, la velocidad o la marcha engranada, sino que puede ser ajustado independientemente (siempre y cuando la potencia entregada sea superior a la demandada por la dinámica del vehículo) para seguir la línea de máxima eficiencia del motor. Figura A 5.3. Bloque “Comparador de consumos en modo recarga”. Al igual que el bloque “comparador de consumos con diferentes marchas” este bloque tiene como entradas el régimen de giro en el acoplador, la marcha engranada y la señal de velocidad constante, pero en vez de la señal par motor del motor térmico tiene la señal “potencia”, que indica la potencia que se le está exigiendo a la planta de potencia híbrida. Las salidas son las mismas que en el bloque anterior, pero conectadas a un interruptor que garantiza que sólo puedan pasar si efectivamente el modo del sistema híbrido es el de recarga. En el interior del subsistema aparecen 3 bloques (“rend marcha”, “rend marcha +1”, “rend marcha -1”) que calculan el rendimiento del motor en la marcha engranada, en una marcha superior y en una marcha inferior. En cada uno de estos bloques se calcula el par que entregaría el motor en las mencionadas marchas seleccionando el mínimo entre dos valores: el par que entrega a determinado régimen de giro siguiendo la línea de máxima eficiencia (mediante el bloque “par rend max”), y el máximo par que el motor eléctrico puede soportar (mediante el bloque “motor_eléctrico). 53 Figura A 5.4 Bloque “rend marcha + 1”. El cuarto bloque (“comprobador pot”) comprueba si tanto en una marcha superior como en una inferior el motor térmico podría seguir entregando la potencia demandada. Para ello, utiliza la función “pot rend max”, que es igual a la función “par rend max” pero multiplicada por la velocidad angular para obtener el valor de la potencia. Figura A 5.5 Bloque “comprobador pot”. Si en una marcha superior o inferior el rendimiento es superior al de la marcha actual, la potencia que entrega el motor con dichas marchas engranadas es igual o mayor al demandado, y la señal de velocidad constante está activada, se envía la señal de subir o reducir marcha. 54 6 DETECTOR CONDUCCIÓN Este bloque detecta si el vehículo está realizando una conducción de características urbanas o interurbanas. Tiene como entrada la velocidad del vehículo y como salida una señal de valor 1 en caso de conducción urbana y de valor 2 en caso de conducción interurbana. Figura A 6.1 Bloque “Detector conducción”. Cada una de las señales conlleva con su activación la desactivación de la otra. Una entrada escalón de valor inicial 0 hace que el sistema comience en modo urbano, lo cual se corresponde con la mayoría de las situaciones reales de manejo de vehículos. De esta forma el interruptor 1 permite el paso de la señal de valor constante 1 hasta el sumador que alimenta la salida “cond”. Este modo permanece activo mientras la velocidad del vehículo sea inferior a 70 km/h. En el momento en que la señal “v” es mayor de “70/3.6” (la señal de la velocidad está expresada en m/s, para convertir los 70 km/h en m/s dividimos por 3.6) el interruptor 1 se cierra, permitiendo al interruptor 2 enviar la señal de valor 2, correspondiente a conducción interurbana, al bloque suma. Mientras este modo está activo, la señal de velocidad (transmitida gracias a los bloques “goto” y “from”) es comparada con el valor 50/3.6 (equivalente a 50 km/h). Si la velocidad del vehículo es inferior a dichos 50 km/h se activa el bloque “if action subsystem” que, al integrar una constante unidad, ejerce de contador de tiempo. Este contador es comparado (a través de los bloques de memoria “A”) con el valor 60. Al superar dicho valor el interruptor 2 se bloquea, habilitando de nuevo el modo de circulación urbano. El bloque “if action subsystem” está configurado para resetearse tras cada desactivación y posterior activación. La señal de la entrada “Pulse Generator” lleva a cabo el reseteo del bloque activándolo durante breves intervalos de tiempo cuando la señal de velocidad no es inferior a 50 km/h. 55 El funcionamiento del conjunto es, pues, el siguiente: el sistema comienza en modo urbano, y se mantiene así mientras no se superen los 70 km/h. En caso de superarlos, se pasa al modo interurbano, y permanece en dicho modo hasta que el vehículo circula durante 60 segundos a una velocidad inferior a 50 km/h, lo cual descarta posibles deceleraciones producidas en rotondas o travesías cortas por municipios. 56 7 UCAH (UNIDAD DE CONTROL DE ACOPLAMIENTO HÍBRIDO) Este bloque es el encargado de seleccionar, en función de varios parámetros de entrada, el modo de funcionamiento más adecuado para el correcto funcionamiento y una óptima eficiencia del vehículo. Una vez seleccionado el modo de funcionamiento calcula el punto de trabajo exacto de los motores y la potencia de recarga de las baterías. Figura A 7.1 Bloque “UCAH”. Los modos de funcionamiento están simulados mediante subsistemas con distintas entradas entre ellos pero con los mismos datos de salida: par motor y régimen de giro entregados por el motor térmico, potencia de recarga de salida (potencia mecánica que llega al motor eléctrico para ser transformada en potencia eléctrica), par motor entregado por el motor eléctrico y número identificativo de modo de funcionamiento. Mediante el uso de interruptores, bloques lógicos y bloques suma sólo los datos del modo efectivamente utilizado son entregados por el bloque UCAH y de esta forma se puede conocer el punto de trabajo de ambos motores así como identificar el modo de funcionamiento en todo momento. Las entradas a este subsistema son la potencia de recarga efectiva de las baterías, el par motor requerido a la salida del acoplador de par, el régimen de giro del eje de salida del acoplador de par, la marcha engranada, la señal de frenado y el tipo de conducción. Las salidas son el par motor entregado por el motor térmico, la potencia de recarga de salida (bruta) destinada a las baterías, el par motor entregado por el motor eléctrico, el modo de funcionamiento del sistema, la carga de las baterías, el régimen de giro del motor térmico y un bus de datos que agrupa todas las salidas anteriores (salvo la 57 carga de las baterías) y las envía a un subsistema de análisis de rendimientos y potencias. En este nivel sólo se calcula el nivel de carga de las baterías, sumando a la carga inicial (establecida por defecto en un 60% de la carga total de las baterías) la integral de la potencia efectiva de recarga. El bloque “ang-lin” se encarga de transformar el valor de velocidad angular (expresado en revoluciones por minuto) del eje de salida del acoplador en velocidad lineal del coche. La constante vmin es un parámetro ajustable que da el valor de velocidad mínima (introducida en km/h y transformada a m/s) para que el motor térmico pueda entrar en funcionamiento. El control de los modos de funcionamiento se lleva a cabo mediante los bloques “onoff”, “sólo térmico” y “frenada regenerativa”. El bloque “on-off” hace referencia a la estrategia de control denominada “engine on-off (thermostat)” – “motor encendido-apagado (termostato)” – que es la utilizada en este modelo 4, y se llama así porque el motor térmico se enciende o apaga cuando se ha alcanzado el nivel mínimo o máximo, respectivamente, de carga de las baterías. Este bloque agrupa los modos “eléctrico a baja velocidad”, “propulsión híbrida”, “recarga del PPS” y “eléctrico puro”. Respecto a los otros dos bloques, como su propio nombre indica, controlan los modos “sólo térmico” y “frenada regenerativa”. Además, la activación de cada uno de ellos conlleva la desactivación de los otros dos bloques, impidiendo que el sistema funcione en dos o más modos de funcionamiento a la vez. El bloque “frenada regenerativa” se diferencia de los otros dos en que el operador lógico e interruptor que lo activan o desactivan se encuentran fuera del mismo. 64 7.1.2 Off Este bloque controla el funcionamiento del vehículo cuando las baterías se han cargado hasta el máximo admitido, momento en el cual el motor térmico se apaga y el vehículo se propulsa sólo mediante la potencia del motor eléctrico. Las señales “Nm t” y “rpm t” tienen valor nulo, mientras que la señal “Nm e” se obtiene multiplicando la señal “Nm a” por el inverso de la relación de transmisión “ie”. El valor de potencia de recarga se calcula como el opuesto al producto del régimen de giro del motor eléctrico (obtenido a partir de la señal “rpm a” y convertido a rad/s) y el par entregado por el mismo. Figura A 7.7. Bloque “Off”. 65 7.1.3 En_acel Este bloque no tiene entradas, ya que su funcionamiento no depende del resto de variables del sistema, sino de los parámetros de entrada introducidos en la ventana de Matlab. Sus salidas son las señales “en_urb” y “en_inter”. Figura A 7.8. Bloque “En_acel”. Las señales “en_urb” y “en_inter” dan el valor de la energía de reserva necesaria para una conducción urbana o interurbana. Un interruptor a la salida de este bloque conecta una u otra dependiendo de si la señal “cond”, relativa al tipo de circulación”, es igual a 1 o no. En el interior encontramos algunos bloques ya utilizados en otros módulos aunque algunos de ellos ligeramente modificados. El bloque “motor_eléctrico” y “cadena rueda-acoplador” no se han modificado, mientras que los otros dos se han invertido respecto a los anteriormente utilizados. De esta forma, el bloque “cadena acopladorrueda” es idéntico al bloque “cadena rueda-acoplador” pero con el flujo de potencias inverso, es decir, transforma el par motor aplicado en el acoplador en fuerza motriz que impulsa al vehículo. Por su parte, el bloque “dinámica-coche2” resulta de modificar ligeramente el bloque ya utilizado “dinámica-coche”: se han eliminado la parte relativa a la frenada y se han reorganizado las fuerzas aplicadas, con lo que calcula la aceleración (e, integrando, la velocidad) a partir de la fuerza motriz ejercida por el motor eléctrico. 66 Mediante los cuatro bloques se simula el arranque del vehículo únicamente propulsado por el motor eléctrico y su aceleración hasta la velocidad máxima que éste pueda proporcionar. La energía requerida para ello se calcula integrando el producto de la velocidad y la fuerza motriz. Dos grupos de bloques relacionales, lógicos e interruptores, que anulan la señal velocidad salvo cuando ésta se encuentra en los intervalos [0-50 km/h] o [80-120 km/h], permiten obtener la energía requerida en ciclo urbano y en ciclo interurbano. Este bloque calcula la aceleración del vehículo en tiempo real, es decir, puede tardar en torno a un minuto (dependiendo de la potencia del motor eléctrico) en calcular los valores de las señales “en_urb” y “en_inter”. Sin embargo, las simulaciones han mostrado que ese tiempo es menor del que tarda el vehículo en requerir esos datos. 67 7.2 Térmico puro Este subsistema controla el modo “térmico puro”, que se activa cuando el vehículo puede circular sólo con el motor térmico encendido con mejor eficiencia que utilizando el conjunto híbrido. Figura A 7.9. Bloque “Térmico puro”. El bloque “activador” que permite el envío de las señales por parte del bloque está sujeto a cuatro condiciones. La primera y más inmediata de calcular es que la señal de detección de velocidad constante “v_cte” esté activada. La segunda es que el rendimiento del motor térmico circulando a la velocidad actual en la marcha más alta posible sea superior al rendimiento máximo teórico del sistema híbrido, obtenido como el producto del rendimiento de las baterías y los rendimientos máximos de motor térmico y eléctrico. Para ello, se introduce la señal “marchas” en el bloque desmultiplicador, dando el índice (y el inverso de éste) con la marcha superior engranada. Con estos dos valores y las señales “Nm_a” y “rpm_a” obtenemos el par motor y régimen de giro hipotéticos del motor térmico circulando en la marcha más alta. Con estos últimos valores hallamos el rendimiento y lo comparamos con una constante calculada como producto de los parámetros “rend_b”, “rend_t_m” y “rend_e_m”. La tercera condición es que el valor de régimen de giro calculado para el motor térmico con la marcha superior introducida no sea inferior al régimen de giro mínimo admitido. Con estas tres condiciones satisfechas se permite el paso de las señales “Nm t” y “rpm t”, calculadas a partir de las señales “Nm a” y “rpm a” mediante los índices del bloque desmultiplicador con la marcha actual engranada, la constante de valor 6 identificativa del bloque y el valor nulo de las señales “potencia recarga s” y “Nm e”. 68 La cuarta condición es que la señal “cond” sea igual a 2, es decir, que el vehículo esté realizando una conducción interurbana. 69 7.3 Frenada regenerativa La condición para el funcionamiento de este bloque aparece fuera del mismo, por lo que dentro de éste no encontramos el bloque “activador”, y las señales “Modo”, “Nm t” y “rpm t” no están conectadas a ningún interruptor. La señal “Nm_a” es multiplicada por el inverso del índice de transmisión “ie” para obtener el par aplicado al motor eléctrico (ya que trabaja como generador) por el acoplador. Para evitar superar el par máximo del motor eléctrico esta señal se compara, en el bloque “Min”, con la señal “par” obtenida en el bloque “motor _eléctrico” a partir de la señal “rpm_a” multiplicada por el índice de transmisión del motor eléctrico. La señal obtenida en el bloque “Min” corresponde al par motor enviado al motor eléctrico, pero la emisión de esta señal está supeditada a dos condiciones, mediante el bloque “AND” y el interruptor a continuación del bloque “Min”: que la carga de las baterías sea inferior al máximo admitido y que la velocidad del vehículo sea superior a 15 km/h (por debajo de esta velocidad el rendimiento de conversión de energía mecánica a eléctrica es muy limitado). En caso contrario, las señales “Nm e” y “Potencia recarga s” (obtenida como el producto de la anterior y el régimen de giro del motor eléctrico convertido a rad/s) se anulan. Figura A 7.10. Bloque “Frenada regenerativa”. 70 8 PÉRDIDAS E Este bloque representa las pérdidas en la potencia de recarga (y el aumento en la potencia de descarga) producidas en el motor eléctrico. Tiene como entradas la potencia de recarga de salida de la UCAH, el régimen de giro del actuador y el par motor entregado por (o al) motor eléctrico, y como salida entrega el valor de la potencia de recarga de entrada a la UCAH. Las señales “Nm e” y “rpm a” (esta última multiplicada por el índice “ie”) nos proporcionan el rendimiento del motor eléctrico. Esta señal es multiplicada a su vez por el parámetro rend_b (rendimiento de las baterías) con lo que obtenemos el rendimiento de la conversión de energía mecánica en eléctrica (y viceversa). Para calcular la potencia de recarga entrada a partir de la potencia de salida hay que tener en cuenta que el flujo de energía va en dos sentidos. Cuando la potencia de recarga de salida es positiva el motor eléctrico está convirtiendo energía mecánica en eléctrica. En este caso, la potencia efectiva de recarga es el producto de la energía mecánica por el rendimiento de la conversión de energía. Sin embargo, cuando la potencia de recarga es negativa, el motor eléctrico está convirtiendo energía eléctrica en mecánica, y la potencia real de descarga es igual a la potencia neta de descarga dividida por el rendimiento de la conversión. De esta forma, un interruptor (con parámetro “threshold” igual a 0) entrega el valor del rendimiento de la transformación energética o el inverso de éste dependiendo de si la señal “P rec s” es positiva o negativa, y el producto de ésta con el valor seleccionado de los dos anteriores nos proporciona el valor de la señal “P rec e”. Figura A 8.1. Bloque “Pérdidas e”. 71 9 CONSUMO INST Este bloque calcula el consumo instantáneo de combustible por el motor térmico, expresado en litros por segundo. Tiene como señales de entrada “Nm t” y “rpm t”, y da como salida la señal “consumo i”. Figura A 9.1. Bloque “Consumo inst”. Las señales “Nm t” y “rpm t” nos dan el rendimiento del motor térmico, cuyo inverso es multiplicado por el par y régimen de giro (convertido a rad/s) de dicho motor, obteniendo así la potencia bruta entregada por el MACI. Para calcular el consumo instantáneo de combustible multiplicamos la potencia bruta por el inverso de la energía específica del combustible (expresada en J/l). 72 10 CONSUMO 100 KM Este bloque calcula el consumo teórico de combustible a los 100 km manteniendo el consumo promedio anterior. Tiene como entradas la velocidad del vehículo y el consumo instantáneo y como salida el consumo promedio a los 100 km recorridos. La señal “cons i” es integrada para hallar el consumo total acumulado por el vehículo. Al dividir este valor por el espacio recorrido en el mismo tiempo (obtenido integrando la señal “v”) obtenemos el consumo promedio por metro recorrido. Multiplicando este último valor por una ganancia de 100.000 hallamos el consumo promedio por cada 100 km recorridos. Figura A 10.1. Bloque “Consumo 100 km”. 73 11 CONTADOR DE CICLOS PPS Este bloque cuenta el número de ciclos de carga y descarga que han sufrido las baterías. Se considera que las baterías han completado un ciclo de descarga cuando, después de haber reducido su carga por debajo del 52% de la carga máxima (más el margen para energía de aceleración calculado en el bloque “en_acel”), aumentan su carga por encima del 68% de la carga máxima. La señal “carga PPS” es comparada con el valor mínimo descrito antes. En el momento en que es menor que éste, el interruptor bloquea la señal y mantiene como entrada el valor mínimo de carga. El bloque comparador “menor o igual” está comparando dos señales iguales por lo que su señal de salida está activa. Mientras tanto, la señal “carga PPS” está siendo comparada con el valor máximo. Cuando supera este valor, la carga de las baterías ha completado un ciclo y se envía la señal de aumentar el número de ciclos al bloque “contador ciclos”, que actúa como el bloque “selector de marcha” (salvo que sólo puede aumentar su salida, nunca reducirla). Al aumentar en uno el número de ciclos la señal “memory” anula la señal del operador lógico “igual a”. El opuesto de esta señal activa, a través de un bloque OR, el interruptor más cercano a la señal “carga PPS”, y el sistema comienza de nuevo habiendo aumentado la señal “ciclos” en uno. Figura A 11.1. Bloque “Contador ciclos PPS”. 80 14 Análisis potencia Este subsistema permite comprobar que las condiciones de marcha impuestas al modelo sean efectivamente asumibles por el mismo, en concepto de energía y potencia necesarias, así como aproximar el margen de potencia disponible por el sistema. La señal “carga PPS” es dividida por el parámetro de carga máxima de las baterías, dando el índice unitario de carga de las mismas y pudiendo comprobarse si éstas han rebasado los límites de carga recomendados. Con las señales “rpm t” y “rpm a” obtenemos el par máximo que el motor térmico y eléctrico, respectivamente, pueden entregar (en el caso del motor térmico, el par máximo con eficiencia óptima). Estos valores son comparados con las señales “Nm t” y “Nm a” dando como resultado el índice de carga de ambos motores. Para descartar los valores de carga triviales (en modo “recarga del PPS” o “propulsión híbrida” el motor térmico siempre da como índice de carga 1, en modo “térmico puro” el eléctrico da 0, etc) se han incluido cuatro comparadores que reciben la señal “modo” y cuatro constantes identificativas de otros tantos modos. De esta forma, sólo se da el índice de carga del motor térmico en el modo “térmico puro”, mientras en el caso del motor eléctrico se da el índice de carga en los modos puramente eléctricos y en el modo “recarga del PPS”. Figura A 14.1. Bloque “Análisis potencia”. 81 B. CURVA DE PAR MOTOR PARA MÁXIMA EFICIENCIA La línea de par motor de máxima eficiencia ha sido aproximada por la siguiente función polinómica de segundo grado: P(n) = -1.344e-5*n 2+0.06699*n+127.32 Donde P es el par motor entregado y n el régimen de giro (en rpm) del eje de salida del motor. En la siguiente imagen se representa dicha función sobre el gráfico de rendimiento del motor térmico. Figura B 1. Línea de par de máxima eficiencia del motor térmico. 82 83 C. OBTENCIÓN DE TABLAS DE EFICIENCIA Motor eléctrico La gráfica de eficiencia del motor eléctrico se divide en 6 sectores, cada uno con una tabla de eficiencia con un mallado distinto en función de cómo es la variación de la eficiencia respecto al régimen de giro y respecto al par entregado, como puede verse en la figura C 1. Figura C 1. Gráfica de eficiencia del motor eléctrico y mallado utilizado para su tabulación. El par de entrada al bloque se divide por el par máximo del motor (expresado como 387.5*pme/60.87) de forma que las tablas dependen de un índice adimensional independiente de la potencia del motor eléctrico utilizado. El gráfico de rendimiento resultante (con la división en sectores y el mallado) se muestra en la figura C 2. 84 Figura C 2. Tabla de eficiencia normalizada del motor eléctrico Para explicar cómo se calculan los parámetros utilizados en el interior de los 6 subsistemas asignados a las 6 áreas de mallado explicaremos su obtención para la región 4. La región 4 tiene como punto inicial (coordenadas [0,0] en su tabla) el correspondiente a un régimen de giro de 500 rpm y un par normalizado (par de entrada entre par máximo) de 50/387.5. Estos valores iniciales son restados de las señales de entrada de forma que los índices de la tabla empiecen en 0. Para calcular el índice correspondiente a un valor de entrada a la tabla se multiplica este valor por el índice máximo de dicha tabla y se divide por la diferencia entre el valor máximo y el mínimo de entrada a la tabla. En el caso de la tabla del subsistema 4, esto implica multiplicar la señal de par por 27 (la tabla tiene 28 filas) y dividirlo por 337.5/387.5 (la diferencia entre el par normalizado para el índice de fila 27 y para el índice de fila 0), mientras que la señal de régimen de giro es multiplicada por 13 (la tabla tiene 14 columnas) y dividirla por 1300 (la diferencia entre el régimen de giro para el índice de columna 13 y 0). Los bloques comparativos y AND sólo permiten que el valor de la tabla sea transmitido si el par normalizado y el régimen de giro se encuentran dentro de los límites de la región 4. 85 Motor térmico La gráfica de este motor se divide en 4 sectores, como puede verse en la figura C 3. Respecto al método anterior, la principal diferencia es que sólo se utiliza la señal de par normalizado para activar la tabla de un sector y desactivar las demás. Por lo demás, el método utilizado es el mismo que en el caso anterior, con la particularidad de que la eficiencia se ha calculado hasta un valor de par superior al par máximo del motor térmico. Lo único en lo que afecta este hecho es en que el par normalizado se obtiene a partir de este par “virtual”. Figura C 3. Gráfica de eficiencia del motor térmico y mallado utilizado para su tabulación. 86 La gráfica normalizada, una vez dividido el par de entrada por el par máximo “virtual” (obtenido como 250*pmt/124.5), aparece representada en la figura C 4. Figura C 4. Tabla de eficiencia normalizada del motor térmico. 87 D. MODELO TÉRMICO Este modelo ha sido obtenido a partir de la simplificación de modelo híbrido, al no disponer de motor eléctrico ni precisar de sistemas de gestión del reparto de potencia entre los dos motores. Se han eliminado los subsistemas “pérdidas e”, “detector cond”, “contador ciclos” y “análisis rendimientos”. Los bloques “selector de marcha”, “consumo inst” y “consumo 100 km” son iguales a los del modelo híbrido. El resto de bloques ha sido modificado o, en el caso del bloque “UCAH”, sustituidos. Figura D 1. Modelo térmico. El bloque “dinámica coche” ya no incluye las señales relativas al frenado (en un vehículo convencional la energía de frenado se pierde y no afecta al funcionamiento del motor), y la fuerza motriz es controlada gracias a un bloque saturación que evita que dé valores negativos. Figura D 2. Bloque “Dinámica coche”. 88 En el bloque “cadena rueda-acoplador” se ha eliminado el puerto de entrada “Frenado_d”. Figura D 3. Bloque “Dinámica cadena rueda-acoplador”. En el bloque “IA caja de cambios” se ha eliminado el puerto “Modo” y el subsistema que controlaba las señales de subir o reducir marcha en modo recarga. Figura D 4. Bloque “IA caja de cambios”. 89 El bloque “UCAH” ha sido sustituido por el bloque “Motor” que, a partir de la señal “Marcha” y un bloque “desmultiplicador”, transforma el par motor y régimen de giro a la salida del acoplador en par motor y régimen de giro de salida del motor térmico. Figura D 5. Bloque “Motor”. En el bloque “Análisis económico” se ha eliminado la parte dedicada al gasto derivado de la reposición de baterías. Figura D 6. Bloque “Análisis económico”. 96 97 98