CONTRIBUTOS PARA UM CONTROLO DE TRACÇÃO DE UM VEÍCULO ELÉCTRICO BIMOTOR

1. CONTRIBUTOS PARA UM CONTROLO DE TRACÇÃO DE UM VEÍCULO ELÉCTRICO BIMOTOR ANTÓNIO ROQUE

2. OBJECTIVOS : Concepção e construção de um veículo eléctrico bimotor munido de diferencial eléctrico e estudo de um controlo de trajectória SUMÁRIO : • INTRODUÇÃO • CONFIGURAÇÕES DO SISTEMA DE PROPULSÃO • MODELO GLOBAL DO VEÍCULO • ACCIONAMENTO ELÉCTRICO • DIFERENCIAL ELÉCTRICO • CONTROLO DE TRAJECTÓRIA DO VEÍCULO • CONSIDERAÇÕES FINAIS

3. INTRODUÇÃO Problemas ambientais Um crescimento significativo dos veículos de combustão interna, a nível mundial, contribuem com um aumento considerável da concentração de CO2 na atmosfera, tendo como consequência um crescimento dos problemas relacionados com o designado efeito de estufa Medidas políticas a adoptar para um incentivo à aquisição de veículos eléctricos • Criação de taxas de produção de veículos eléctricos em relação aos veículos de combustão interna • Diminuição do imposto automóvel para este tipo de veículos • Abolição da taxa de estacionamento • Criação de infra-estruturas para recarga

4. MOTOR + CAIXA REDUTORA + DIFERENCIAL 2 MOTORES INDEPENDENTES + CAIXA REDUTORA 4 MOTOR INDEPENDENTES + CAIXA REDUTORA 4 MOTOR INDEPENDENTES EXEMPLOS DE CONFIGURAÇÕES DE PROPULSÃO

5. VEÍCULO CONFIGURAÇÃO 2 MOTORES INDEPENDENTES + CAIXA REDUTORA CONFIGURAÇÃO E VEÍCULO ADOPTADO NESTE ESTUDO

6. Princípio de funcionamento Em recta Em curva  1 = L= R 2= L+ R 2 5 Transformações realizadas no diferencial L R 3 4 1 - Pinhão de ataque 2 - Satélite 3 - Planetário 4 - Caixa diferencial 5 - Roda de coroa DIFERENCIAL MECÂNICO Em corte

7. Entradas do sistema Saída do sistema DIFERENCIAL ELÉCTRICO Solução Proposta • 2 Rodas motoras independentes • 2 Motores Eléctricos desacoplados • entre si mecanicamente Modelo Matemático • Posição do Ângulo do volante • Velocidade de cada roda motora Velocidade linear de cada roda motora Velocidade linear das rodas motoras em curva • Sinal de referência de velocidade • para cada motor

8. DIFERENCIAL ELÉCTRICO Raio imaginário da curva Trajectória curvilínea Direita Esquerda Trajectória rectilínea Implementação

9. Referenciais Centro de gravidade teórico no plano XY Centro de gravidade teórico no plano XZ Centro de gravidade real no plano XY MODELO GLOBAL DO VEÍCULO

10. MODELO GLOBAL DO VEÍCULO Modelo de cada roda motora Raio da roda Carga em cada rodas Eixo da frente Eixo traseiro

11. MODELO GLOBAL DO VEÍCULO Forças aplicadas a cada roda motora Roda em repouso Roda em movimento

12. MODELO GLOBAL DO VEÍCULO Forças aplicadas a cada roda motora Força de aderência Fad Força de atrito estático Fae Força de atrito viscoso ou de (Stokes) Fae

13. MODELO GLOBAL DO VEÍCULO Forças aplicadas ao Chassis Força de atrito aerodinâmico F a ad Força centrífuga F c Força correspondente à componente do peso num plano inclinado Fi Força total F at

14. Fae,Fas Chassis + F L a Roda L v L ò L 1/M´ FadL v + v 1/2 + F R + FadR Roda R a ò R 1/M´ v R Fae,Fas 1/2 Fi + Fa ad + MODELO GLOBAL DO VEÍCULO Velocidade do veículo Trajectória rectilínea Trajectória curvilínea

15. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Esquema de Montagem do accionamento eléctrico de potência

16. Marca: Lynch • Tipo: Máquina CC de magnetos permanentes • Potência disponível: 10,3 kW (60 V, 200 A) • Velocidade nominal: 3500 rpm • Rendimento nominal: 86 % • Peso: 11 kgf ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Motor eléctrico de tracção Características da máquina a seleccionar • Funcionamento para níveis de tensão baixa • Elevada potência específica • Robusta e de fácil comando Máquina seleccionada

17. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Modelo dinâmico da máquina eléctrica Equação eléctrica Equação mecânica

18. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Modelo dinâmico da máquina eléctrica Diagrama de blocos Espaço-Estados

19. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Ensaios da máquina

20. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Ensaios da máquina

21. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Resultados experimentais

22. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Baterias seleccionadas

23. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Ensaios de carga das baterias Ensaios de descarga das baterias

24. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Conversor electrónico de potência Tipo de conversor Características dos interruptores • Tipo MOSFET • Referência IXFN 200N07 • VDSS= 70 V • I D25 = 200 A • TjM = 150 ºC • RDSon = 6 m, para ID=100A • Tqon,Tqoff < 200 ns

25. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Dissipador

26. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Controlo de corrente por modo de deslizamento • Bem adaptado ao caracter discreto de funcionamento dos interruptores electrónicos • potência • Facilidade de dimensionamento e realizar na prática • Capacidade de manter o erro limitado numa banda pré-definida

27. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Resultados experimentais Tensão e corrente no motor

28. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Resultados experimentais Tensão VDS no MOSFET

29. ACCIONAMENTO ELÉCTRICO Resultados experimentais Desempenho do controlador Viref - Tensão referência da corrente (4/div) im - Corrente no motor (40 A/div) t - 10 s/div Viref - Tensão referência da corrente (4/div) im - Corrente no motor (40 A/div) t - 10 s/div Viref - Tensão referência da corrente (2,5/div) im - Corrente no motor (50 A/div) t - 2 ms/div

30. DIFERENCIAL ELÉCTRICO Diagrama de blocos

31. Condições de convergência DIFERENCIAL ELÉCTRICO Modelo detalhado do sistema

32. Tensões de comando DIFERENCIAL ELÉCTRICO Modelo detalhado do sistema

33. DIFERENCIAL ELÉCTRICO Modelo simplificado do sistema

34. DIFERENCIAL ELÉCTRICO Variáveis de estado do sistema

35. DIFERENCIAL ELÉCTRICO Sensibilidade à variação dos parâmetros, J, kp e ki

36. DIFERENCIAL ELÉCTRICO Resultados de simulação do modelo simplificado Perturbação no binário Perturbação no volante

37. DIFERENCIAL ELÉCTRICO Resultados de simulação do modelo detalhado Perturbação no binário Perturbação no volante

38. Motor + Roda esquerda (L) FadL r Perturbação da estrada TrL Dinâmica Electromagnética + - irefL Características de aderência do pneu - iL + Controlador de corrente L TmL eiL + icL iref VWL Chassis Controlo Individual de corrente L FadL FyL acelerador Roda R Vx,Vy Roda L Roda L Cinemática do volante Veículo FadR FyR Motor + Roda direita (R) F Inclinação Roda R a_ar Resistência do Vx VWR ar Controlo de Trajectória icR eiL iR - + TmR Controlador de corrente R Características de aderência do pneu Dinâmica Electromagnética + - irefR - - TrR Controlo Individual de corrente R Perturbação da estrada r CONTROLO DE TRAJECTÓRIA DE UM VEÍCULO ELÉCTRICO BIMOTOR COM RODAS DA FRENTE LIVRES Diagrama Funcional + -

39. CONTROLO DE TRAJECTÓRIA DE UM VEÍCULO ELÉCTRICO BIMOTOR COM RODAS DA FRENTE LIVRES Diagrama de simulação em Simulink

40. y Espaço percorrido Erro dos espaços y Espaço percorrido Erro dos espaços erro erro t x x t Escorregamento m Coeficiente de aderência s m Coeficiente de aderência s Escorregamento t t t t CONTROLO DE TRAJECTÓRIA DE UM VEÍCULO ELÉCTRICO BIMOTOR COM RODAS DA FRENTE LIVRES Resultados de simulação sem controlo de trajectória Rodas motoras no mesmo tipo de piso Rodas motoras em tipo de piso diferente

41. Erro dos espaços y Espaço percorrido Velocidade das rodas e do veículo erro km/h Velocidade da roda com menor escorregamento Velocidade da roda com maior escorregamento x t m Coeficiente de aderência Escorregamento s Velocidade do veículo t t t CONTROLO DE TRAJECTÓRIA DE UM VEÍCULO ELÉCTRICO BIMOTOR COM RODAS DA FRENTE LIVRES Resultados de simulação com controlo de trajectória Rodas motoras em tipo de piso diferente

42. CONSIDERAÇÕES FINAIS Conclusões gerais e contributos • Modelização do diferencial eléctrico • Controlo de trajectória do veículo • Controlo de binário actuante nas rodas motoras

43. A curto prazo o veículo terá as seguintes implementações: No futuro o modelo do veículo terá de incluir os seguintes factores: CONSIDERAÇÕES FINAIS Perspectivas de desenvolvimento futuro • Diferencial eléctrico • Controlo de tracção • Travagem regenerativa • Registo em tempo real das variáveis do sistemas • Controlo de estabilidade • Forças laterais actuantes no veículo • Modelo do veículo com quatro rodas motrizes • Inclusão de suspensão no modelo de veículo