Optimización Energética de Vehículos Eléctricos Híbridos

Abstract

La utilización de sistemas de propulsión híbridos eléctricos para el transporte urbanocomo alternativa a las plataformas convencionales propulsadas únicamente por motorde combustión interna representan una opción ciertamente competitiva en términoseconómicos y de prestaciones, y con notables ventajas en términos de contaminacióny eficiencia energética. Por tal motivo, en los últimos años, numerosos estudios reportadosen la literatura han abordado diversos aspectos de estos sistemas de propulsión,siendo la mayor parte de ellos orientados a trabajos de optimización, con el objetivode mejorar su eficiencia energética, aumentar su vida útil y reducir los costos deadquisición de las plataformas híbridas.En esta tesis se presenta un extenso estudio acerca de los sistemas de propulsiónhíbridos eléctricos. Las contribuciones realizadas radican esencialmente en lametodología y en los trabajos de optimización aplicados al diseño, dimensionamientoy gestión energética, sobre diferentes plataformas híbridas eléctricas. El propósitogeneral de esta tesis es mejorar las prestaciones de las mismas incluyendo múltiplesaspectos, todos ellos destinados a acelerar la inserción de los sistemas de propulsiónhíbridos eléctricos en el transporte urbano.La tesis abarca tres aspectos íntimamente relacionados del diseño de las plataformashíbridas: arquitectura, dimensionamiento de componentes y gestión energética. Enla primera parte se trabaja sobre los sistemas de propulsión híbridos integrados pormotor de combustión interna, motores eléctricos y batería. Específicamente se proponeuna metodología para abordar el dimensionamiento óptimo de sus componentes conun enfoque multi-objetivo que incluye tanto el consumo de combustible como ladegradación de la batería. Dicho estudio incluye además la formulación y el análisisde diferentes estrategias de gestión energética, también con un enfoque multi-objetivo,incluyendo la estrategia óptima.Una segunda contribución realizada por esta tesis está asociada a la arquitecturade la plataforma, y específicamente orientada los sistemas de propulsión híbridosreconfigurables. En este caso se propone una nueva arquitectura reconfigurable queofrece ventajas en múltiples aspectos en comparación con una de las plataformashíbridas más reconocidas en la literatura y la más masiva del mercado automotriz actual. Además de la arquitectura en sí, se presentan las directrices para abordarde manera eficiente el cómputo de la estrategia de gestión optima vía ProgramaciónDinámica en plataformas reconfigurables con múltiples entradas de control y múltiplesvariables de estado.Por último, se estudian los sistemas de propulsión híbridos con pilas de combustible,específicamente aquellos que utilizan supercapacitores como almacenadorde energía. La gestión energética en este tipo de plataformas presenta un especialdesafío debido a la presencia de restricciones activas que dependen de variables deestado. En este caso, se presenta una nueva estrategia de gestión energética de tiemporeal que, basada en la estimación de la demanda energética en un horizonte cercano,permite mejorar las prestaciones de estas plataformas en términos de consumo de combustibley disponibilidad de potencia. Los resultados incluyen además una validaciónexperimental de la estrategia propuesta utilizando una estación híbrida de laboratorio.

Hybrid propulsion systems for urban transport against conventional platform propelled only by internal combustion engine represent a solution certainly competitive in economics terms and performances, with significant benefits in terms of pollution and energy efficiency. Accordingly, in the last years, many studies reported in literature have addressed different aspects of these propulsion systems, most of them oriented to optimization, aided to improve its energetic efficiency, increase lifetime and reduce the acquisition cost of hybrid platforms. This thesis presents an extensive study about hybrid electric propulsion systems. The contributions mainly lie in the methodology and in the optimization works focused on the design, sizing and energy management in different hybrid electric platforms. The general purpose of it, is to improve the performance of those including multiple aspects, all of them aided to expedite the insertion of hybrid electric propulsion systems in urban transport. Thesis includes three aspects closely linked in the design of these platforms: architecture, sizing of components and energy management. The first part deals with hybrid propulsion systems powered by internal combustion engine, electric machines and battery. Specifically, a methodology is proposed to address the optimal sizing of components using multi-objectives criteria that includes both fuel consumption and battery degradation. This part also includes the formulation and analysis of different real-time energy management strategies, all of them with multi-objectives criteria, including optimal offline strategy. The second contribution of this thesis is related to the architecture of the platforms, and specifically oriented to reconfigurable hybrid propulsion systems. In this case, a novel architecture which offers multiple advantages is proposed in comparison with the most famous platform reported in literature and most traded in the current automotive market. Besides the architecture itself, in this part are also presented the guidelines to effectively compute the optimal energy management strategy via Dynamic Programming in reconfigurable platforms with multiple control inputs and multiple state variables. Finally, studies of the hybrid propulsion systems with fuel cell, particularly those which use a supercapacitor as energy storage system, are presented. The energy management in this kind of platform represent a special challenge due to the presence of active constraints that depends on the states variables. In this case, a novel real-time energy management is presented, which based on an estimation of the future energy demand in a close time horizon, allows to improve the performance of this platform in terms of fuel consumption and power availability. Results also include an experimental validation of the strategy proposed using a laboratory fuel cell hybrid power station.