Study on the utilization of an electric auxiliary system for the propulsion of lightweight vehicles with small-displacement engines

Autor: Diego Moreno Bravo
Přispěvatelé: Meirelles, Pablo Siqueira, 1956, Gallo, Waldyr Luiz Ribeiro, Donha, Décio Crisol, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2016
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientador: Pablo Siqueira Meirelles Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Nos últimos anos tem-se buscado aumentar a eficiência energética dos veículos automotores bem como reduzir a emissão de gases poluentes e de efeito estufa associadas à queima de combustíveis fósseis. Uma solução frequentemente adotada para tanto é a diminuição (downsizing) dos motores de combustão interna que equipam os automóveis em questão, levando muitas vezes a uma piora expressiva no desempenho de aceleração. Tal fato evidencia-se ainda mais em carros que, além de motores de baixa cilindrada, contam com acessórios que consomem uma parcela da potência mecânica produzida pelo motor, como sistemas de ar-condicionado e direção hidráulica, por exemplo. Uma possibilidade para compensar essa piora no desempenho e elevar ainda mais a eficiência do veículo é a hibridização de seu powertrain, ou seja, a adição de um motor elétrico que possa prover potência adicional ao motor de combustão interna em momentos críticos e recuperar uma parte da energia cinética do veículo durante frenagens (frenagem regenerativa). O propósito deste trabalho, portanto, é determinar se a adição de um sistema propulsor auxiliar elétrico em veículos leves convencionais é tecnicamente viável, quantificando seus efeitos sobre o consumo de combustível e desempenho em aceleração. Para atingir tal objetivo, um modelo computacional foi construído usando dois softwares que operam simultaneamente (co-simulação). O software principal é o LMS Imagine.Lab AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulations) no qual a maioria dos componentes usados para construir o modelo já encontra-se modelada, bastando definir os paramêtros de cada subsistema (motor de combustão interna, motor elétrico, baterias, dinâmica veicular longitudinal, entre outros). O segundo software empregado é o MATLAB/Simulink, utilizado para implementação das estratégias de controle e de gerenciamento de energia. Inicialmente, um carro convencional equipado com um motor de combustão interna de 1000cc e ar-condicionado foi modelado e teve seus paramêtros ajustados de forma a apresentar resultados coerentes com aqueles encontrados no mundo real. Tal modelo passa então a ser utilizado como referência para avaliar os resultados obtidos nas simulações das estratégias de controle propostas. Após essa etapa, uma VCU (Vehicle Control Unit), um motor elétrico, um conversor eletrônico de energia e um banco de baterias foram incluídos no modelo. Diversas estratégias de controle e gerenciamento de energia baseadas em regras heurísticas foram então implementadas e testadas, sempre buscando-se propor as soluções mais simples possíveis. Cada proposta é então comparada com o modelo de referência em termos de consumo de combustível e desempenho de aceleração (tempos que o veículo, inicialmente parado, leva para acelerar até 60km/h e 100km/h). Reduções significativas são observadas no consumo de combustível e uma melhoria considerável é obtida no desempenho de aceleração nos modelos equipados com o sistema propulsor auxiliar elétrico proposto Abstract: Along the past few years there has been a pursuit for improvements in vehicle energetic efficiency as well as reduction in greenhouse and pollutant gases emissions, which are directly linked to the burn of fossil fuels. A frequently adopted solution to attenuate this problem is the downsizing of the internal combustion engines (ICEs) that equip such automobiles, usually leading to an expressive worsen in acceleration performance. This effect is even more noticeable in cars that, besides having their engines downsized, are equipped with accessories that consume a significant fraction of the mechanical power produced by the engine, like air conditioning systems and hydraulic power steering, for instance. One of the possibilities to compensate the worsen in acceleration performance and increase even more the efficiency of the vehicle is the hybridization of its powertrain, i.e., the addition of an electric motor that can provide extra power to the ICE in critical moments and recover a fraction of the vehicle kinetic energy during braking (regenerative braking). Therefore, the purpose of this study is determining whether the addition of an electric auxiliary propulsion system in lightweight conventional vehicles is technically viable, quantifying the effects in fuel consumption and acceleration performance. In order to achieve these goals, a computational model was built using two different softwares working together. The main software was LMS Imagine.Lab AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulations) in which most components needed to build the computational model were already modeled, being sufficient only the definition of the input parameters of each subsystem (internal combustion engine, electric motor, batteries, longitudinal vehicle dynamics, among others). The second software employed is MATLAB/Simulink, used for the implementation of the control and energy management strategies. Initially a conventional car equipped with a 1000cm3 ICE and air conditioning system was modeled and had its input parameters tuned in order to present results coherent with those found in the real world. This model¿s results are then used as reference for the comparisons with the hybrid proposals. For the evaluation of the proposed control strategies, a VCU (Vehicle Control Unit), an electric motor, an electronic power converter and a battery pack were included in the model. Diverse control strategies based on heuristic rules were then implemented and tested, always aiming at keeping things as simple as possible. Every proposal was compared to the reference model in terms of fuel consumption and acceleration performance (time needed for the vehicle to accelerate from 0 to 60km/h and from 0 to 100km/h). Significant decreases in fuel consumption and considerable improvements in acceleration performance were observed in the models equipped with the proposed electric auxiliary propulsion system Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica
Databáze: OpenAIRE
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