Publication: Aplicación software para la simulación del funcionamiento energético de vehículos eléctricos
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Publication date
2013-09
Defense date
2013-09-30
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Abstract
El presente proyecto está centrado en el vehículo eléctrico, que es uno de los medios de
transporte del futuro debido a sus notables características en cuanto al uso eficiente de la
energía y a su bajo impacto medioambiental.
La sociedad actual debe hacer frente tanto al crecimiento continuo del precio del crudo y
a su futuro agotamiento al no ser un recurso renovable, como a los problemas de
contaminación que conlleva el uso de combustibles fósiles, como el efecto invernadero,
la lluvia ácida o la deforestación.
Debido a estos aspectos y al crecimiento del consumo energético es necesario un cambio,
no sólo en la forma de obtener la energía para así poder satisfacer la demanda cumpliendo
con su crecimiento de forma medioambientalmente aceptable, sino también en uso
eficiente e inteligente.
Por esta razón se están desarrollando vehículos cada vez más ecológicos como son los
vehículos híbridos y eléctricos puros, siendo estos últimos los mejores en cuanto a la
emisión de gases de escape, aunque requieren inversiones elevadas al tratarse de una
solución a medio plazo.
El vehículo eléctrico se presenta como una alternativa de futuro en cuanto a transporte
urbano se refiere, trae consigo una disminución considerable del consumo eléctrico y, a
su vez, la disminución de la contaminación medioambiental en las grandes ciudades. En este trabajo se desarrollará una herramienta software capaz de simular el
funcionamiento de un vehículo eléctrico en sus condiciones de funcionamiento normales.
Para ello se establecerán unas condiciones de funcionamiento aproximadas a las de un
vehículo real con objeto de poder aumentar el conocimiento en esta materia y servir como
soporte para futuros trabajos del Departamento de Ingeniería Eléctrica.
El vehículo eléctrico al que se refiere este proyecto utiliza únicamente el motor eléctrico
como sistema de propulsión. La energía almacenada en las baterías se carga de la red
eléctrica mientras el vehículo está aparcado y mediante el sistema de frenado
regenerativo en los momentos de frenada o fuertes pendientes. Su autonomía está
limitada por la capacidad de las fuentes de energía instaladas.
Los bloques más importantes que generalmente se encuentran en la cadena de tracción de
un vehículo eléctrico son el motor eléctrico, los sistemas de almacenamiento de energía y
el sistema de frenado regenerativo.
En un vehículo eléctrico, el motor es capaz de entregar el par motor máximo desde el
inicio del arranque disminuyendo luego paulatinamente con el régimen a partir de la
denominada “velocidad base”. En la zona de par constante, la potencia que puede
entregar el motor crece linealmente desde cero a medida que la velocidad aumenta hasta
la velocidad base. A partir de ahí, se mantiene constante. Otra característica importante
de un motor eléctrico es su eficiencia, en torno al 90%, valor estimado y constante en el
trabajo.
En cuanto a las unidades de almacenamiento de energía, las utilizadas en el proyecto son
la batería, el ultracondensador y la pila de combustible, de las que se comentarán
rápidamente sus características.
El modelo simula el comportamiento de un vehículo eléctrico según una configuración
realizada por el usuario mediante una interfaz gráfica. Esta configuración comprende no
sólo la definición de los bloques de la cadena de tracción como sus valores numéricos.
Tanto el modelo como la interfaz han sido desarrollados dentro del entorno Matlab.
Mediante la configuración, el usuario podrá elegir entre diferentes vehículo eléctricos
existentes en una base de datos, elegir el ciclo de conducción que necesite y seleccionar
las fuentes de energía a utilizar por el vehículo. Estas fuentes de energía determinan el modo de funcionamiento, que puede ser:
- Sólo batería.
- Batería más ultracondensador (al seleccionar las dos fuentes de energía).
- Batería más pila de combustible (al seleccionar las dos fuentes de energía).
Los ciclos de conducción elegidos son los pertenecientes al Ciclo Europa (NEDC) en su
versión urbana, extraurbana y completa.
Tanto los ciclos de conducción y los modelos de las fuentes de energía no podrán ser
alterados por el usuario durante la configuración.
Una vez finalizada la simulación, el usuario podrá visualizar la evolución de diferentes
variables, las cuales se comentarán a continuación y los valores finales de la distancia
recorrida y el estado final de carga de la batería o ultracondensador.
Así mismo, el usuario podrá exportar los resultados que desee a un archivo Excel.
A continuación se explicarán los parámetros más relevantes del modelo y la interfaz.
El modelo está compuesto por siete bloques principales, a saber: Perfil de Conducción,
Vehículo, Unidades de Energía, Motor, Freno, Estrategias de Control y Resultados.
El funcionamiento es el siguiente. El bloque Perfil de Conducción es el encargado de
generar el perfil de velocidad (velocidad y aceleración) y pendiente de la carretera que se
introducirán en el bloque Vehículo, siendo este bloque el encargado de calcular el par y la
velocidad en r.p.m. que deberá seguir el bloque Motor. El bloque Unidades de Energía es
el encargado de generar la tensión para el bus de continua. El bloque Freno funciona
como un frenado regenerativo e inyecta, dependiendo del par generado, tensión al bus. El
bloque Estrategias de Control nos otorga la opción de elegir diferentes estrategias para el
funcionamiento correcto del modelo. Por último, el bloque Resultados obtiene las
gráficas deseadas por el usuario. ___________________________
Electric vehicles will be no doubt a means of transport in a near future, due to its characteristics regarding the efficient use of the energy and low environmental impact. In this project, a software tool has been developed to simulate the operation of an electric vehicle under normal operating conditions. This software tool uses standard driving cycles, that allow to simulate the behavior of the different vehicle subsystems under real traffic conditions. This software tool will also provide support for future works in the Electric Power Engineering Department. The most important subsystems in the power train of an electric vehicle are the electrical motor, the energy storage system and the regenerative braking system. In an electrical vehicle, the motor is able to deliver the maximum torque from virtually zero speed until the so-called “base speed” is reached, where the motor rated power is obtained. In this constant-torque region, the power grows linearly from zero as the speed increases up to the base speed. The motor can drive the load beyond this base speed at constant power by reducing the magnetic flux. This region is known as "constant-power" or "field weakening" range. Another important characteristic of an electric motor is its efficiency, around 90%, which will be considered a constant value in this work. As far as the energy storage system is concerned, this work includes the battery, the ultracapacitors and the hydrogen PEM fuel cell. The model simulates the behavior of an electric vehicle, where as the graphic user interface interacts allows for a correct configuration. Both the model and the interface have been developed in a Matlab environment. Prior to running the model, the user must make the vehicle configuration by defining the different subsystems in the power train and their required values. These values will be transferred to the model before starting the simulation run. The configuration interface also permits the user to choose between different existing electric vehicles from a database, along with the possibility of defining any arbitrary driving cycle. The model uses three different operating modes: - Battery only. - Battery and ultracapacitor. - Battery and fuel cell. The standard driving cycles have been selected from the New European Driving Cycle (NEDC) in its urban, extra-urban and complete version. Both the driving cycles and the energy storage systems cannot be modified by user during the simulation. After the simulation, the user can recover and analyze the evolution of different recorded variables in graphic and numerical form, including the final values of stored charge (SOC) in the battery and ultracapacitor. Also, he will be able to export these results to an Excel file. The structure and operation of the different functional blocks are explained below. The mathematical model consists of seven main blocks, namely: Driving Profile, Vehicle, Energy Units, Motor, Brake, Control Strategies and Results. The "Driving Profile" block is in charge of generating the velocity profile (speed and acceleration) and road slope. Both outputs are entered into the "Vehicle" block to determine the torque and the speed settings to be followed by the “Motor" block. The "Energy Units" block is in charge of generating the voltage supplied to the electric motor. The "Brake" block performs the regenerative braking. The "Control Strategies" block permits to choose among different strategies for the proper operation of the model. Finally, the "Result" block displays the graphs selected by the user.
Electric vehicles will be no doubt a means of transport in a near future, due to its characteristics regarding the efficient use of the energy and low environmental impact. In this project, a software tool has been developed to simulate the operation of an electric vehicle under normal operating conditions. This software tool uses standard driving cycles, that allow to simulate the behavior of the different vehicle subsystems under real traffic conditions. This software tool will also provide support for future works in the Electric Power Engineering Department. The most important subsystems in the power train of an electric vehicle are the electrical motor, the energy storage system and the regenerative braking system. In an electrical vehicle, the motor is able to deliver the maximum torque from virtually zero speed until the so-called “base speed” is reached, where the motor rated power is obtained. In this constant-torque region, the power grows linearly from zero as the speed increases up to the base speed. The motor can drive the load beyond this base speed at constant power by reducing the magnetic flux. This region is known as "constant-power" or "field weakening" range. Another important characteristic of an electric motor is its efficiency, around 90%, which will be considered a constant value in this work. As far as the energy storage system is concerned, this work includes the battery, the ultracapacitors and the hydrogen PEM fuel cell. The model simulates the behavior of an electric vehicle, where as the graphic user interface interacts allows for a correct configuration. Both the model and the interface have been developed in a Matlab environment. Prior to running the model, the user must make the vehicle configuration by defining the different subsystems in the power train and their required values. These values will be transferred to the model before starting the simulation run. The configuration interface also permits the user to choose between different existing electric vehicles from a database, along with the possibility of defining any arbitrary driving cycle. The model uses three different operating modes: - Battery only. - Battery and ultracapacitor. - Battery and fuel cell. The standard driving cycles have been selected from the New European Driving Cycle (NEDC) in its urban, extra-urban and complete version. Both the driving cycles and the energy storage systems cannot be modified by user during the simulation. After the simulation, the user can recover and analyze the evolution of different recorded variables in graphic and numerical form, including the final values of stored charge (SOC) in the battery and ultracapacitor. Also, he will be able to export these results to an Excel file. The structure and operation of the different functional blocks are explained below. The mathematical model consists of seven main blocks, namely: Driving Profile, Vehicle, Energy Units, Motor, Brake, Control Strategies and Results. The "Driving Profile" block is in charge of generating the velocity profile (speed and acceleration) and road slope. Both outputs are entered into the "Vehicle" block to determine the torque and the speed settings to be followed by the “Motor" block. The "Energy Units" block is in charge of generating the voltage supplied to the electric motor. The "Brake" block performs the regenerative braking. The "Control Strategies" block permits to choose among different strategies for the proper operation of the model. Finally, the "Result" block displays the graphs selected by the user.
Description
Keywords
Vehículos eléctricos, Baterías eléctricas, Simulación, Desarrollo de software, Eficiencia energética