Universitatea Tehnic Gh. Asachi Iai Facultatea de Inginerie Electric, Energetic i Informatic Aplicat Laborator Traciune Electric

MODELAREA I SIMULAREA VEHICULELOR ELECTRICE I HIBRIDE FOLOSIND PROGRAMUL ADVISOR

1. Introducere Pentru a obine performane optime pentru vehicule, metodologia de proiectare s-a

modificat, trecndu-se de la proiectarea independent a componentelor la proiectarea simultan a sistemelor mcanice, electrice, de control i diagnoz. Complexitatea vehiculelor electrice i hibride face ca efortul de proiectare s fie deosebit de mare, fiind posibil doar prin utilizarea intens a simulrilor numerice, acestea avnd scopul de a evidenia din fazele iniiale ale proiectrii cum se comport componentele noi n cadrul sistemului ca ansamblu.

Simularea de vehicule ajut inginerii s determine cum s creasc durata de via a componentelor, pentru a mbunti performana vehiculului, prin optimizeaza sistemului de pe vehicul i reducerea timpului de dezvoltare i aceasta nainte de realizarea prototipului.

2. Modelarea liniei de acionare a vehiculelor electrice i vehiculelor electrice

hibride Linia (sau lanul) de acionare cuprinde toate elementele care asigur legtura dintre

sistemul de propulsie i roile motoare i care asigur transferul optim al energiei de la sursa (sursele) de cuplu la roile motoare pentru obinerea performanelor dorite cu un consum minim de energie. Vehiculele electrice hibride pot fi cu structur serie, paralel sau mixt.

La un vehicul electric hibrid de tip paralel i motorul termic i motorul electric pot aciona independent roile motoare, fie simultan fie separat. Structura vehiculului cuprinde:

- motorul termic (alimentat de la rezervor), cutia de viteze, transmisia; - motorul electric (care poate fi trecut n regim de generator) bateria de acumulatori,

convertoare electronice de putere pentru controlul i gestionarea energiei, transmisia, structura ,,Power split (divizor de putere) care permite cuplarea simultan a motoarelor la roi.

Figura 1 Structura unui vehicul electric hibrid de tip paralel

Modelul complet al unui vehicul cuprinde combinaii ale componentelor individuale,

interconectate prin intermediul forelor i cuplurilor transmise de-a lungul liniei de acionare. Mrimile principale de intrare sunt comenzile de accelerare i frnare iar cele de ieire sunt viteza vehiculului, consumul de energie, etc. Dac modelarea numeric a elementelor componente din linia de acionare este relativ uor de realizat, comportarea conductorului

Regim termic

Motor termic Rezervor

Transmisie

Power

Main electricBaterie Convertor

Energie recuperat

Regim electric

Modelarea i Simularea Vehiculelor Electrice i Hibride Folosind Programul Advisor

Autori: .l.dr.ing. Gabriel Chiriac, .l.dr.ing. Costic Niuc

vehiculului este mai dificil de modelat deoarece depinde de caracteristicile fizice i psihologice ale acestuia i de cerinele din trafic. Modelarea se poate face folosind diverse profile de vitez care vor corespunde controlului pedalelor de accelerare i de frnare de ctre conductor. Profilele (sau ciclurile de vitez) pentru teste sunt standardizate.

Figura 2 Modelul unui vehicul electric hibrid tip paralel

Figura 3 Ciclu de vitez CYC_EUDC (Extra Urban Driving Cycle) n condiiile deplasrii unui vehicul pe o cale de rulare rectilinie de pant , ecuaia de

micare n regim tranzitoriu, la demaraj, se obine din egalitatea lucrului mecanic al forei rezultante care acioneaz asupra vehiculului i energia cinetic a maselor aflate n micare de translaie i n micare de rotaie. Expresia final a ecuaiei de micare este

[ ]

= RFmdt

dvR

a1 (1)

n care : - coeficientul de influen a maselor aflate n micare de rotaie, ma masa vehiculului, RF - fora la roata motoare, R - fora rezultant a rezistenelor la naintare.

Cuplul de sarcin al lanului de antrenare se poate obine ca soluie a ecuaiei difereniale (1), ce descrie dinamica autovehiculului

r

trtrea r

iMR

dtdvm

=+ (2)

n care: Me cuplul la ieire, itr raportul de transmisie, tr randamentul transmisiei, rr raza roilor motoare.

Aceast ecuaie diferenial simuleaz majoritatea forelor i cuplurilor ce acioneaz asupra vehiculului n micare.

Conductor

Pcerut

Convertorstatic

Unitate electronic de

control

P

Motor cu ardere intern

Transmisie

Main electric

Vehicul

Baterie

Consumatori electrici

SOC

*eM

Pdisp

Mt*

Ambreiaj

Laborator Traciune Electric

3. Simularea vehiculelor cu programul Advisor ADVISOR (Advanced Vehicle Simulator) este un program de simulare pentru diverse

structuri i componente de vehicule, fiind util pentru estimarea consumului de energie, a emisiilor de noxe i pentru evaluarea unor strategii de management energetic att pentru vehicule convenionale ct i pentru vehicule electrice i vehicule electrice hibride (de tip serie, paralel sau mixte).

Modelele sunt n general empirice, legate de date msurate n laborator sau qvasi-statice, folosind date preluate n regim staionar (la cuplu sau vitez constant) i corectate pentru regimurile tranzitorii. Programul lucreaz ntr-un mod interactiv cu mediul de programare Matlab i Simulink i conine o baz de date important (tipuri de vehicule, motoare termice i electrice, baterii, supercondensatoare, transmisii mecanice, etc.). Interfaa grafic este accesibil i uor de utilizat, permind folosirea simpl i rapid a datelor de intrare (fiiere, date tehnice pentru componente i vehicul), modificrile utilizatorului fiind uor de realizat. Soft-ul a fost dezvoltat de ctre Centrul pentru Sisteme i Tehnologii de Transport (Center for Transportation Technologies and Systems NREL) din SUA ncepnd cu anul 1994, n vederea stimulrii cercetrilor n domeniul vehiculelor hibride. Din anul 2000 exist i conferine internaionale care au ca tematic programul Advisor.

Ca tehnologie ADVISOR foloseste fizica de baz cu calcule i componente de msurat performane la modelul conceptual al vehiculelor. Utilizatorul definete un vehicul folosind datele globale ale acestuia i prescrie o vitez de contra-timp, mpreun cu clasa de drum, pe care vehiculul trebuie s urmeze. Aceastea calculeaz precis cuplul, viteza, tensiunea, curentul i puterea ce a trecut de la o component la alta. ADVISOR permite utilizatorului s rspund la ntrebri, cum ar fi: Care este modul de rulare optim, care ofer cele mai bune economii de combustibil? A fost vehicul capabil s urmeze viteza prescris? Ct de mult combustibil i/sau energie electric a fost necesar la ncercare? Care a fost puterea de vrf i randamentul? Care a fost distribuia cuplului i viteza?

Beneficiile aduse de catre ADVISOR pot fi: reduce timpul de testare pentru a evalua diferite vehicul de propulsie alternative; ofer un instrument de simulare comun pentru industrie i cercetare; asist industria de automobile prin dezvoltarea de vehicule cu consum redus a componentelor.

Lansarea programului Advisor se poate face din fereastra de comenzi Matlab cu comanda advisor. n figura 1 este prezenat fereastra de start a aplicaiei, n care prima opiune pentru utilizator este cea legat de sistemul de uniti de msur (metric sau US), dup care, cu butonul Start, se deschide interfaa grafic a aplicaiei care permite accesul la stabilirea datelor de intrare pentru vehiculul simulat i componentele acestuia.

Figura 1 Fereastra de start ADVISOR

Ca instrument de analiz ADVISOR folosete ca date de intrare viteza cerut/dorit i

Modelarea i Simularea Vehiculelor Electrice i Hibride Folosind Programul Advisor

Autori: .l.dr.ing. Gabriel Chiriac, .l.dr.ing. Costic Niuc

determin cuplul mecanic, vitezele i puterile acionrii care sunt necesare pentru a atinge acea vitez. Datorit acestui flux de informaii n sens invers prin sistemul de acionare, adic de la roi la osie, la cutia de viteze etc., ADVISOR realizeaz ceea ce se numete o simulare n sens invers a vehiculului (backward-facing vehicle simulation).

Modelarea i simularea implic trei etape, regsite n trei interfee: - prima etap corespunde introducerii datelor de intrare pentru modelul de vehicul (motor

termic, motor electric, baterii, transmisie, control, structur mecanic, etc. - etapa a doua permite introducerea datelor legate de vitez (ciclul de vitez, viteza

maxim, etc), a declivitii, etc. - a treia interfa grafic prezint rezultatele simulrii att grafic ct i sub forma unor date

analitice.

Fig 2. Interfee ADVISOR

1. Conventional 2. Serie 3. Paralel

4. Paralel-Serie 5.Fuel-Cell 6. Vehicul electric (EV)

7. Prius-jpn 8. Insight 9. Custom

Fig. 3 Tipuri de structuri de vehicule (DriveTrain Configuration)

Laborator Traciune Electric

n figura 4 este prezentat interfaa grafic prin care utilizatorul poate introduce i selecta datele de intrare pentru vehicul i pentru elementele componente. n stnga ferestrei este o prezentare grafic interactiv sugestiv a tipului de vehicul care se simuleaz. Imaginea indic tipul de configuraie (vehicul convenional, hibrid serie sau paralel, vehicul pur electric sau cu hidrogen) iar interactivitatea permite accesul imediat la baza de date pentru fiecare component ilustrat. Tot n stnga utilizatorul poate vizualiza informaii grafice legate de performanele componentelor (randamentul motorului termic sau electric, emisiile de gaze, eficiena bateriei).

Gas

olin

e

0 C 22 C40 C

0 2000 4000 60000

20

40

60

80

100

Speed (rpm)

Torq

ue (N

m)

Fuel Conv erter OperationGeo 1.0L (41kW) SI Engine - transient data

0.15 0.15 0.2

0.25 0.25

0.25

0.3

Fig. 4 Interfaa grafic date intrare ADVISOR (Vehicle Input Screen)

n general utilizatorii trebuie s urmeze doi pai: mai nti trebuie s defineasc un vehicul utiliznd msurri sau estimri ale componentelor i alte date i apoi s prescrie o curb de variaie a vitezei funcie de timp mpreun cu traiectoria pe care vehiculul trebuie s o urmeze. n dreapta ferestrei utilizatorul poate specifica sau selecta date de intrare pentru toate componentele din structura sistemului (tip de vehicul, motor termic, elementele de stocare a energiei electrice, motor electric, generator, transmisie, comand, etc.), fiecare caset de comand permind accesul la baza de date specific a Advisor-ului. n plus, seciunea Scale components permite utilizatorului s introduc date diferite pentru putere i randament maxim, programul realiznd automat o rescalare liniar a datelor, dar cu pstrarea formei originale a caracteristicilor. n partea din dreapta jos se calculeaz masa total a componentelor selectate de ctre utilizator, acesta putnd s aleag masa util (Cargo). Structura aleas poate fi salvat cu toate datele selectate i modificate, ceea ce permite revenirea mai trziu asupra modelului sau interactivitatea cu alt utilizator. Dup stabilirea datelor de intrare, butonul Continue permite deschiderea ferestrei n care se pot stabili caracterisiticile simulrii.

Load File: Se poate alege din aproximativ 38 de modele de vehicule, cel pe care dorim s executam tipul de simulare, coninnd variante cu vehicule mari, autobuze, electrice i normale. Driving train Configuration: Se alege felul acionri vehiculului (serie sau paralel) de asemenea se pot modifica componentele vehiculului. Vehicle: Se alege tipul de vehicul, ce are legatur din Load File Fuel Converter: Se selecteaz din 5 variante modelul ales. Energy Storage: Modul de stocare a energiei, cu baterii de plumb, nichel, sau metal hidrid.

Modelarea i Simularea Vehiculelor Electrice i Hibride Folosind Programul Advisor

Autori: .l.dr.ing. Gabriel Chiriac, .l.dr.ing. Costic Niuc

Motor: Se poate alege tipul de motor cu care poate fi echipat vehiculul, din motoare de curent alternativ (MC_AC) sau cu magneti permanenti (MP). Transmission : Se prezinta tipul cutiei de vitez ce poate fi cu 5 trepte sau automat. Weel/Axle : Se prezint modul de echipare a vehiculului cu un anumit tip de roii i pneuri. Selecting Component : Dup selectarea configuraiei trenului de rulare, toate componentele vehiculului pot fi selectate folosind meniurile, sau fcnd clic pe componenta n imagine. La stnga meniuri este un buton care v va permite s adugai sau s tergei componentele prin selectarea lor corespunztoare enumerate m-fiiere. M-fiier a unei componente specifice, pot fi accesate pentru vizualizarea sau modificarea fie din butonul de componenta sau fcnd clic pe componenta de imagine. Editing Variables: Dup selectareatoate componentele dorite pentru vehicul, variabilele scalare de intrare pot fi modificate. O modalitate la acest lucru se poate face cu lista de variabile de la partea de jos a figurii (Edit. Var.). Mai nti se selecteaza variabila pentru a schimba i apoi se face clic pe butonul Editare pentru a modifica valoarea acesteia. Valoarea implicit este ntotdeauna afiate pentru referin. Avei posibilitatea s facei clic pe butonul de ajutor pentru a vedea o scurt descriere i unitile folosite pentru variabilele de intrare. Dupa selectarea componentelor pe vehicul variabilele de intrare pot fi modificate prin intermediul butonului. AutoSize: Butonul de auto-size ia vehiculul selectat i ajusteaz parametrii vehiculului pn cnd acesta ndeplinete obiectivele de accelerare i pant admisibil. Parametrii se modific prin convertor de cuplu, scar de combustibil (fc_trq_scale), operatorul cuplului motor scar (mc_trq_scale), numrul de module de sistem de stocare a energiei, i masa vehiculului. Scar cuplul minim este stabilita astfel nct producia sa de putere la vrf este de o anumita valoare. Numrul de module bateriei este limitat pentru a obine o tensiune nominal maxim de 480 V. Implicit obiectivele de performan sunt meninerea cel puin 6% grad de la 55 mph, i obinerea de 12 secunde 0-60 mph, 23.4 secunde 0 85 mph timp i 5.3 secunde 4-60 mph timp.

Dupa alegerea vehiculuilui urmarind paii enumerai se apas SAVE pentru a se salva configuraia mainii, apoi se apas pe butonul Continue ce trece la pagina 2 care are o interfa asemanatoare, numai c n partea stng se pot observ 2 categorii de grafice la care se pot selecta diferii parametri de vitez funcie de timp, viteza funcie de distana, s.a.m.d.. Iar n partea dreapt se gasete din nou o alt fa n care se pot selecta o alta gam de parametri.

0 50 100 1500

20

40

60

Speed (km/h)

Per

cent

age

(%)

CYC_ECE

0 50 100 150 20005

101520253035404550

time (sec)

spee

d (k

m/h

)

key on speed elevation

0 50 100 150 200-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81

elev

atio

n (m

eter

s)

Figura 5 Interfaa grafic Advisor pentru caracteristicile simulrii (Simulation Setup Screen) n aceast fereastr utilizatorul poate selecta diagrama (ciclul) de vitez (Drive Cycle)

care va fi folosit pentru simulare, putnd opta pentru una sau pentru multiple diagrame predefinite sau s-i realizeze propria diagram de vitez (Trip builder) folosind opt tipuri

Laborator Traciune Electric diferite de diagrame. Interfaa afieaz forma grafic a dependenei vitez-timp precum i o serie de date corespunztoare diagramei (distan, viteza maxim, viteza medie, acceleraie, deceleraie, declivitate, numrul de opriri, timpul de mers n gol, etc.). Utilizatorul poate opta de asemenea pentru declivitatea traseului (constant sau variabil). DriveCycle: n cazul n care ciclul de conducere este selectat putei utiliza meniul derulant pentru a selecta dintr-o list de cicluri de conducere disponibile. Putei selecta apoi de cte ori dorii ciclului care se repet, precum i dac dorii SOC corecie. Condiiile iniiale pot fi de asemenea setate de aici. (figura 9). Trip Builder: Un ciclu poate fi creat prin combinarea mai multe cicluri diferite de back to back folosind aceast funcionalitate. Acest nou ciclu este apoi salvat n format ciclul normal i poate fi rulat ca atare. Auxiliary Loads: Selectarea acestui buton afieaz o interfa grafic pentru a selecta diferite sarcini auiliare on/off ori legate de ciclul de conducere. SOC Corection: Exist dou opiuni SOC corectare: liniar i zero delta. Linear SOC corecie execut dou simulri, care d o schimbare pozitiv n starea de ncrcare i unul care d o schimbare negativ n SOC. Valoarea corectat a variabilelor de interes ce sunt apoi interpolate din schimbarea de la zero n SOC o potrivire liniara la punctele de date. Zero-Delta regleaz SOC iniial, pn la randamentele ce simuleaza o schimbare zero n SOC + / - cu o band de toleran de 0,5%. Constant Road Grad: Bifnd caseta de selectare putei rula ciclul de conducere cu ajutorul unui grad constant de declivitate. Interactive Simulation: Selectarea casetei de simulare interactiva provoac o interfa n timp real de simulare interactiva pentru a activa n timp simularea. Multiple Cycle: Putei accelera procesul de a rula mai multe cicluri diferite cu aceleai condiii iniiale folosind aceast funcionalitate. Mai multe cicluri salveaz informaiile de configurare, inclusiv condiiile iniiale i apoi ruleaz fiecare dintre cicluri selectate i salveaz rezultatele. Din rezultatele figurate putei accesa toate rezultatele diferite cu ajutorul unei liste rezultate . Test Procedure: n cazul n care procedura de testare este selectata putei utiliza meniul derulant pentru a selecta ce fel de test se doreste pentru a rula. Acceleration Test: Prin selectarea aceastei casete de validare, se va desfura un test de accelerare n plus fa de ciclul ales. Prin accelerare, acceleraii maxime i distane de cltorit n 5 secunde va fi afiat n figura rezultatele. Acest test va fi rulat n plus fa de ciclul de ales. Pentru a vedea al doua ieire a unei ncercri de accelerare, se alege CYC_ACCEL din meniul de ciclu (figura 10). Gradeability Test: n cazul n care pant admisibil este selectat, se produce un test de pant admisibil ce va fi rulat n plus fa de ciclul ales. Gradele afiate n figura vor fi gradul maxim de ntreinere la mph de intrare. Parametric Study: Se poate vedea efectul pn la trei variabile pe vehicul, astfel selectai un studiu parametric. Valorile joase i nalte pot fi stabilite, precum i numrul de puncte dorite pentru acea variabil. Un studiu parametric ruleaza o serie de simulri pentru a acoperi punctele de intrare, astfel nct n cazul n care 3 variabile sunt selectate cu 3 puncte fiecare, 27 de simulari vor rula (figura 11). Load Sim Setup: O simulare de configurare anterior salvata poate fi rencrcat folosind butonul Load Sim. Setup. Optimize cs vars: Optimizai cu variabile, deschide o fereastra de configurare. Verificarea casetelor selecteaz variabilele de proiectare folosite pentru a optimiza obiectivele alese i constrngerile. Save: Salveaz configurarea executand simularea (figura 12). Run: Clic pe Run se executa simularea i se atepta pentru rezultate.

Modelarea i Simularea Vehiculelor Electrice i Hibride Folosind Programul Advisor

Autori: .l.dr.ing. Gabriel Chiriac, .l.dr.ing. Costic Niuc

Pagina final 3 arat rezultatele finale (Results Figure) ce prezint unele rezultate

rezumate (economia de combustibil, emisiile, distana total) si permite utilizatorului s completeze pn la patru parcele serii de timp prin selectarea o variabil din meniul pop-up. n cazul n care casetele de acceleraie i pant admisibil ce au fost culese n ecranul de configurare simulare, rezultatele corespunztoare vor fi, de asemenea, afiate.

Fig. Interfaa grafic cu rezultate ale simulrilor Toate variabilele ADVISOR folosesc prefixe, cu excepia celor trei variabile de ieire

principale: emisiilor de la eava de evacuare, consumul de combustibil total i viteza vehiculului mpha real. De intrare i alte variabile de ieire folosesc prefixe utilizate pentru numele de componenta fiierul de date, care sunt, de asemenea, incluse n

Laborator Traciune Electric

TX : Cutie de viteze ; GC: Generator; MC: Motor; PTC: Control motror, Control ambreaj; TC: Cuplu motor; VEH: Vehicul; Wh: Roata/Axa; BD: Simulink. n funcie de modalitatea de interconectare a motoarelor electrice i a motorului termic se

disting dou configuraii de hibridizare total de baz: 1. Transmisii hibride serie (numele provine de la modalitatea de conectare a

componentelor), la care numai motoarele electrice sunt conectate la roile automobilului, motorul cu ardere interna acioneaz un generator electric care alimenteaz motoarele electrice prin intermediul conectorilor electrici. Curentul produs alimenteaza motoarele electrice care actioneaza roile. Un astfel de sistem se intlnete la Toyota Coaster. Totusi aceasta soluie este foarte rar ntalnita la automobile;

2. Transmisii hibride paralele, la care ambele surse de putere motorul termic i maina electric sunt conectate la roile motoare prin intermediul unor legturi mecanice adecvate. Motorul termic i maina electric pot aciona punile motoare simultan sau individual, separat (o punte) sau mpreun (ambele puni), ele putnd fi cuplate ntre ele. Un exemplu de utilizare a acestei tehnologii este Honda IMA (Integrated Motor Assist) pe Insight i Civic.

Mersul lucrrii

1. Se va studia programul de modelare i simulare Advisor, interfaa acestuia, modul de realizare a unui model de vehicul i modul de utilizare a datelor de intrare.

2. Se vor analiza elementele din structura de acionare a vehiculelor electrice i hibride i modul de alegere a lor ca date de intrare pentru simulri.

3. Pe baza unor modele difeirte de vehicule electrice sau hibride, se vor realiza simulri ale acestora pentru diverse cicluri de vitez i regimuri de deplasare.

4. Se vor analiza rezultatele simulrilor i performanele pentru: motorul electric, motorul termic, baterii, consum de combustibil, poluare, etc.

5. Pe baza rezultatelor simulrii se vor nota concluzii i se vor evidenia caracteristicile diferitelor tipuri de modele de vehicule.