Uma contribuição à modelagem orientada para controle de operação de veículos elétricos híbridos

Abstract

O desafio de alcançar as metas de emissões por parte dos veículos automotores em um curto e médio prazo tem levantado questões críticas a respeito das tecnologias existentes atualmente. Neste sentido, os veículos elétricos híbridos (VEH) têm se mostrado a opção mais viável e promissora. Estes combinam os benefícios dos veículos puramente elétricos e convencionais ao utilizarem simultaneamente um motor de combustão interna (MCI) e uma ou mais máquinas elétricas no seu trem de força, reduzindo, assim, consideravelmente o consumo de combustível e as emissões. Para alcançar estes resultados, os VEHs contam com um controle de supervisão que comporta uma estratégia de operação responsável por garantir que os diferentes propulsores funcionem próximos às suas respectivas zonas de maior eficiência. No entanto, a alta complexidade do trem de força, decorrente da natureza multidisciplinar, e da grande quantidade e interdependência entre os componentes de um VEH faz com que a tarefa de projetar tais sistemas se torne bastante complexa. Neste cenário, uma abordagem baseada em modelos de simulação tem um papel importante no processo de desenvolvimento de sistemas de controle como os VEHs, ao permitir a predição do comportamento global do sistema, além de garantir que os custos e demoras de uma prototipagem sejam superados. Dessa forma, este trabalho tem como objetivo propor e aplicar uma sistemática para modelagem de VEHs com foco no controle de supervisão. Esta se divide em atividades que vão desde a definição do problema até a verificação e validação do modelo. A sistemática foi avaliada por meio de um estudo de caso no qual foi desenvolvido um modelo de planta e de controle para um VEH do tipo complexo baseado no Toyota® Prius® com vista na economia de combustível. Os modelos de planta e controle foram desenvolvidos em ambiente Amesim® e Matlab/Simulink®, respectivamente. Estes interagem por meio de uma co-simulação entre os dois softwares. O veículo é modelado e um controle heurístico baseado em regras é implementado e validado frente resultados experimentais. Os modelos ainda são utilizados para avaliar o impacto de mudanças em parâmetros de controle no consumo de combustível. Como resultado, observou-se que a sistemática proposta tem aplicabilidade, ao permitir o tratamento de um problema complexo, de forma relativamente rápida e estruturada.

Abstract: The challenge of meeting automotive vehicle emissions targets in the short and medium-term has raised critical questions about existing technologies. As such, hybrid electric vehicles (HEV) have proven to be the most viable and promising option. These combine the benefits of both pure electric and conventional vehicles by simultaneously utilizing an internal combustion engine (ICE) and one or more electric machines in their power train, thereby considerably reducing fuel consumption and emissions. To achieve these results, the HEVs have a supervisory control that includes an operating strategy responsible for ensuring that the different thrusters operate close to their respective maximum efficiency zone. However, the high complexity of the powertrain, due to its multidisciplinary nature, and the large amount and interdependence between the components of an HEV, make the task of designing such systems very complex. In this scenario, an approach based on simulation models plays an important role in the process of developing control systems such as HEVs, by allowing the prediction of behavior of the overall system behavior and ensuring that prototyping costs and delays are overcome. Thus, this dissertation aims to propose and apply a systematic approach for modeling HEVs with a focus on supervisory control. Such systematic approach is divided into activities ranging from problem definition to model verification and validation. The systematic approach was evaluated through a case study in which a plant anda control model were developed for an HEV of complex type based on Toyota® Prius® for fuel economy. The plant and control models were developed in Amesim and Matlab/Simulink environments, respectively. These interact through a co-simulation between the two software. The vehicle was modeled and a rule-based heuristic control implemented and validated against experimental results. The models were still used to assess the impact of changes in control parameters on fuel consumption. As a result, it was observed that the proposed systematic approach can be applied to treat a complex problem, relatively quickly and with structure.