Diseño de Estrategias de Control de Tracción para Vehículos Eléctricos con Motores en Rueda

Abstract

Actualmente existe una gran preocupación a nivel global sobre las emisiones de CO2 a a la atmósfera. Uno de los principales contribuyentes a estas emisiones son los coches con motores de combustión interna alternativos, a los cuales se les impone cada vez más restricciones para poder ser comercializados. Esta evidente problemática abre el camino a nuevos diseños de motores y, por tanto, de vehículos. Una de estas alternativas a los vehículos tradicionales son los vehículos eléctricos. Los vehículos eléctricos ofrecen muchas facilidades a la hora de ser controlados, pues se les puede imponer directamente el voltaje necesario para que den el par que demanda el conductor. En los vehículos tradicionales, sin embargo, existe una mayor cantidad de limitaciones, por lo que se suele actuar sobre el par de frenado que se aplica a las ruedas, lo cual hace que se gaste energía en el calentamiento de la rueda. Dentro de este grupo de vehículos eléctricos, existen los vehículos con tracción total o tracción en las cuatro ruedas. Estos coches tienen cuatro motores eléctricos, uno por cada rueda, de manera que podemos controlar cada rueda de una manera más precisa que si se controlase únicamente un motor central. Esto aumenta la dificultad del sistema de control del vehículo, pero ofrece numerosas mejoras, como una mejora significativa de la estabilidad del vehículo, y un mejor aprovechamiento de la energía. Este proyecto se va a basar en el modelo de un coche real, el FOX, que se encuentra en el laboratorio del departamento, lo que va a permitir diseñar controladores genéricos, pero caracterizados para este vehículo, de manera que luego pueda comprobarse su funcionamiento. Los algoritmos de control de estabilidad que se van a desarrollar consisten en dos sistemas completos de control. La parte más compleja es un controlador de alto nivel, en el que se le dice el error respecto a algunas referencias, y actúa modificando el par (para lo cual se sirve del resto de partes del controlador) que debe dar a cada rueda mediante un controlador de bajo nivel, modificando el voltaje aplicado a las mismas. Para el cálculo de las referencias se usarán dos generadores de estas basados, el primero de ellos basado en datos de simulación del coche, y el segundo en las ecuaciones de la dinámica del modelo.

Nowadays, there is a global concern about emissions to the environment. One of the main emissors are the vehicles motorized by internal combustion engines, which are being imposed more and more restrictions for being able to be sold in the markets. New solutions are being studied and created in order to solve this problem, one of which are the electric vehicles in substitution of the fuel-based vehicles. These electric vehicles can be controlled in more ways than any other vehicle. It is possible to actuate directly on the voltage applied to the engine, which ends in a better control of stability and power consumption, whereas on a traditional car the control affects mainly wheel braking, which is less efficient, as it uses energy for braking, which results in tire heating. There is a specific tipology of electric vehicles, the ones with four direct-driven in-wheel motors. These cars, as its own name says, have four motors, one per wheel, so we can make develop a more accurate control strategy compared to the control systems on cars with one central motor. Since there are four engines which need to be controlled, the difficulty is greatly increased, because there are more variables, which are related. The benefit of this kind of vehicles is that their stability is greatly improved, and the energy consumption is more efficient. This project is going to be based on a real car model, named FOX, which is found on the laboratories of the department. This is going to let us design a generic control system, but specifically designed for this vehicle, so it can be tried in order to check its performance. Each control algorythm that is going to be designed consists mainly on a high-level controller, which is fed with some errors compared to a reference, and acts (by using the other parts of the control system) varying the torque that each wheel needs to give, which is done by applying a calculated voltage to each wheel. For calculating references, two different generators are going to be used. The first one uses experimental data, and the second one uses vehicle dynamics equations.