Gestión energética de vehículos hibridos usando control predictivo económico
Authors:   , Sampietro Saquicela José Luis 
Published: July 2023

Every method of energy generation and transmission affects the environment. Under this principle, conventional generation options based on fossil fuels, such as coal, gasoline, diesel, among others, are progressively causing damage to air, climate, water, land, wildlife, landscape, and raising levels of harmful radiation. Renewable technologies are substantially safe and offer a solution to many environmental and social problems associated with fossil and nuclear fuels. Within the electricity generation from non-clean fuels, the transport sector occupies a high percentage of the total emissions. For this reason, the development from only using combustion engine vehicles to hybrid, electric and fuel cell vehicles has been made.

In this work, hybrid electric vehicles with fuel cells as the main generation source are studied. Within this analysis, a type of vehicle is characterized, which is an urban service bus. The operating parameters are based on the analysis of the selected speed profiles. Besides, power profiles are generated for the vehicle. Some profiles are chosen, such as the Buenos Aires driving cycle, and the Manhattan driving cycle, whose characteristics of speed, acceleration, and distance are analyzed. The speed profiles have moments when the bus brakes to stop at the respective stops, and in some cases, during the intermediate journeys. We use the concept of regenerative braking and propose as elements of energy storage and recovery, batteries, and supercapacitors. The combination allows a better use of the total braking energy, due to the high power and energy density of the supercapacitors and the battery respectively.

Once the structure and type of vehicle have been defined and its components have been modeled, defining their power and energy capacities, the optimum scenario is sought through dynamic programming. Taking into account different multi-objective, cost functions are proposed, which take into account the hydrogen savings in the fuel cell and the health of the components. Results are presented for both profiles and various cost functions, analyzing system behavior and presenting Pareto diagrams for tuning the weights of the respective functions. Then, the EMPC controller is designed, which in addition to the conventional criteria, takes into account the cost of generating the elements. Several simulations are performed with the proposed models and different efficiency values of the components. The analysis of various cost functions is also performed, and the results are compared with dynamic programming and the behavior of the system in the face of various sizes of prediction horizon is analyzed.

Finally, a trajectory planning is made, taking into account the number of bus stops, and taking into account the dynamics of the bus operation. In this sense, we obtain certain maximum and minimum speed paths from the driving profiles, which are made from the maximum and minimum acceleration data of the driving profiles. With this trajectory planner, we propose a robust EMPC control, which ensures that the controller is able to meet these new power requirements. The mathematical study of the new controller is performed to ensure stability and reachability characteristics, and the results are presented in comparison with PD and pure EMPC.

Las opciones de generación convencionales basadas en combustibles fósiles, como el carbón, la gasolina, el diésel, entre otros, están progresivamente causando daños al aire, el clima, el agua, la tierra, la vida silvestre, el paisaje, as í como elevar los niveles de radiación dañina. Las tecnologías renovables son sustancialmente más seguras y ofrecen una solución a muchos problemas ambientales y sociales asociados con los combustibles fósiles y nucleares. Dentro de esta generación eléctrica con combustibles no limpios, el sector del transporte ocupa un porcentaje elevado de emisiones, dentro del total. Por esta razón, se ha dado el paso paulatino de los vehículos de motor de combustión solamente, a los vehículos híbridos, eléctricos y de pilas de combustible. En la presente tesis, se estudian los vehículos eléctricos híbridos con pila de combustible como fuente de generación principal. Dentro de este análisis, se caracteriza un tipo de vehículo a usar, el mismo que es un bus de servicio urbano, para el que se definen los parámetros de funcionamiento, y en base a el análisis de los perfiles de velocidad seleccionados, se generan perfiles de potencia a ser cumplidos por el vehículo. Los perfiles escogidos son el Buenos Aires driving cycle, y el Manhattan driving cycle, cuyas características de velocidad, aceleración y distancia, se analizan posteriormente. Los perfiles de velocidad, poseen instantes en donde el autobús, frena para detenerse en las paradas respectivas, y en algunos casos, durante los trayectos intermedios. En este momento, usamos el concepto de frenado regenerativo, y proponemos como elementos de almacenamiento y recuperación de energía, baterías y supercapacitores. La combinación de ambos, permite un mayor aprovechamiento de la energía total del frenado, debido a la alta densidad de potencia y de energía de los supercapacitores y la batería respectivamente. Una vez definida la estructura, tipo de vehículo, y modelizado sus componentes, definiendo sus capacidades de potencia y energía, se proceden a buscar el escenario óptimo mediante la programación dinámica. Para esto, se proponen distintas funciones de coste, multiobjetivo que toman en cuenta el ahorro de hidrogeno en la pila de combustible y el estado de salud de los componentes. Se presentan resultados para ambos perfiles y varias funciones de coste, analizando el comportamiento del sistema y presentando diagramas de pareto para el tunning de los pesos de las funciones respectivas. Luego, se procede al diseño del controlador EMPC, el mismo que además de los criterios convencionales, toma en cuenta el coste de generación de los elementos. Se realizan varias simulaciones con los modelos propuestos, y distintos valores de eficiencia de los componentes. Se realizan también el análisis de varias funciones de coste, y se comparan los resultados con la programación dinámica. Se analiza también el comportamiento del sistema ante varios tamaños de horizonte de predicción. Finalmente, se hace una planificación de trayectorias, tomando en consideración el número de paradas y la dinámica de funcionamiento. Obtenemos trayectorias de velocidades máximas y mínimas a partir de los perfiles, las mismas que se realizan a partir de los datos de aceleración máxima y mínima. Con este Planificador de trayectorias, proponemos un control EMPC robusto, el mismo asegura que el controlador sea capaz de cumplir con estos nuevos requerimientos de potencia. Se realiza el estudio matemático del nuevo controlador para asegurar las características de estabilidad y alcanzabilidad, y se presentan los resultados en comparación con la DP Ye el EMPC puro.

Cadascun dels mètodes de generació i transmissió d’energia afecta el medi ambient. Tenint en compte aquest principi, les opcions de generació convencionals basades en combustibles fòssils com el carbó, la benzina o el dièsel, entre d’altres, perjudiquen progressivament l’aire, el clima, l’aigua, la terra, la vida silvestre i el paisatge, al mateix temps que eleven els nivells de radiació nociva. Les tecnologies renovables ofereixen una solució a molts problemes de caire ambiental i social associats amb els combustibles fòssils i nuclears. Dins de la generació elèctrica emprant combustibles nets, el sector del transport representa un percentatge elevat de les emissions totals. És per aquest motiu que s’està duent a terme una transició paulatina cap a l’ús de vehicles híbrids, elèctrics i basats en piles de combustible, en detriment dels vehicles basats solament en la combustió.
La present tesi estudia els vehicles elèctrics híbrids basats en pila de combustible com a font de generació principal. Dins d’aquesta anàlisi es duu a terme una caracterització del tipus de vehicle a utilitzar, un autobús de servei urbà, per al qual es defineixen els paràmetres de funcionament.
En base als perfils de velocitat seleccionats, es generen els perfils de potència que els vehicles han d’obeir. Dits perfils són el Buenos Aires driving cycle i el Manhattann driving cycle, les característiques dels quals en termes de velocitat, acceleració i distancia s’analitzen posteriorment.
En concret, els perfils de velocitat contemplen les aturades en les respectives parades, i en alguns casos, en trajectes intermedis. En aquests instants, s’utilitza el concepte de frenada regenerativa, i es proposen elements d’emmagatzematge i recuperació d’energia, com ara bateries i supercondensadors. La seva combinació permet un millor aprofitament de l’energia dissipada en la frenada, gràcies a la seva alta densitat de potència i d’energia dels supercondensadors i les bateries, respectivament.
Una vegada s’han definit l’estructura i el tipus de vehicle, i els seus components s’han modelat en base a les capacitats de potència i d’energia, es procedeix a buscar l’escenari òptim mitjançant programació dinàmica. A tal efecte, es proposen diverses funcions de cost multiobjectiu que inclouen l’estalvi d’hidrogen de la pila de combustible i l’estat de salut dels components. Es presenten resultats per a ambdós perfils i per a diverses funcions de cost, analitzant-ne el comportament del sistema i presentant diagrames de Pareto per a ajustar els pesos dels diversos termes de les funcions de cost. A continuació es procedeix a dissenyar un controlador econòmic predictiu (sigles en anglès EMPC), que, a més dels criteris convencionals, considera el cost de generació dels elements. Es realitzen diverses simulacions amb els models proposats, per a diversos valors d’eficiència dels components. A més, també s’analitzen diverses funcions de cost, i es comparen els resultats amb els obtinguts mitjançant programació dinàmica. Per altra banda, es considera també l’efecte de l’horitzó de predicció en el comportament del sistema.
Finalment, es realitza una planificació de trajectòries tenint en compte el nombre de parades de l’autobús i la dinàmica de funcionament del mateix. En aquest sentit, s’obtenen certes trajectòries de velocitats màximes i mínimes a partir dels perfils de conducció, i també a partir de dades d’acceleració màxima i mínima dels perfils de conducció. Emprant aquest planificador de trajectòries, es proposa un control EMPC robust, que garanteix que el controlador és capaç d’assolir aquests nous requeriments de potència. Així mateix es realitza l’estudi matemàtic del nou controlador per a garantir-ne l’estabilitat i l’assolibilitat, i es presenten els resultats comparats amb els proporcionats per la programació dinàmica i el EMPC sense robustesa.