Simulación y comparación del comportamiento de tecnologías híbrida HEV y eléctrica EV respecto a su autonomía, eficiencia energética y emisiones para vehículos de transporte público del Sistema Integrado de Transporte en el marco Bogotá

Abstract

El presente estudio tiene por objetivo general el desarrollo de una simulación computacional que pueda predecir el comportamiento de tecnologías alternativas vehiculares híbridas HEV y eléctricas EV para buses de transporte público, respecto a su autonomía, consumo energético y emisiones en Bogotá para el Sistema Integrado de Transportes. La motivación para la realización de este estudio y desarrollo de la simulación se debe a que a raíz de los esfuerzos para el mejoramiento en la calidad del aire realizados por la administración de Bogotá y la Secretaria Distrital de Ambiente (SDA)[1], [2] formulando el Plan Decenal de Descontaminación del Aire para Bogotá, implementando un Sistema Integrado de Transporte Público (SITP) y creando el plan de acenso tecnológico con la incursión de nuevas tecnologías vehiculares que deben ser probadas y evaluadas previamente a su implementación, se hace necesario el desarrollo de una herramienta computacional que pueda predecir los comportamientos de autonomía, emisiones y consumo energético de esto vehículos y de esta manera reducir la cantidad de pruebas requeridas en la incursión de las nuevas tecnologías al sistema. Con la evaluación en ruta de vehículos representativos por tecnología, utilizando métodos de medición para los comportamientos de consumo energético, emisiones y autonomía establecidos previamente en el grupo de investigación GICAEPMA, se obtuvieron las variables de entrada necesarias para el determinar estos comportamientos durante el recorrido. El modelo empleado para relacionar las emisiones generadas y consumos energéticos medidos en ruta con el comportamiento dinámico del vehículo es el VSP por sus siglas en inglés (Vehicle Specific Power) [3], [4] dado en kW/Ton. A partir de esta correlación necesaria para el desarrollo de una correcta simulación, es posible hacer una asignación de valores de resultados de consumo energético en kWh y de emisión de HC, CO, CO2, NOx y PM2.5, en g/kWh por rangos estadísticos de frecuencia del cálculo del VSP de los vehículos evaluados denominados BINs. La autonomía se determinó por ciclo total de la ruta en términos de distancia (km) y ciclos máximos que puede recorrer el vehículo antes de la siguiente recarga de energía y el porcentaje de descarga de energía por prueba. Con la metodología empleada para el desarrollo de una simulación a partir de datos reales y el uso del modelo que representa el comportamiento dinámico vehicular se obtuvieron resultados de coeficientes de correlación R2 entre los resultados reales y los generados por la simulación programada de 0.99 con porcentajes de coincidencia BIN a BIN entre 78,6% y 98% en consumo energético y entre un 96,9% y un 88,2% en emisiones para los vehiculos 1, híbrido mo diesel-eléctrico, 3 100% eléctrico y 4 Diesel. El vehiculo híbrido en modo híbrido presenta los menores porcentajes de coincidencia en emisiones de CO y PM2,5 entre un 69,9% y un 60,8% respectivamente debido a la confiiguración del motor para las condiciones de Bogotá. Respecto a la autonomía, los porcentajes de coincidencia obtenidos fueron de 95.3% para el vehículo 1, 97.9% para el vehículo 2 y 83.7% para el vehículo 3. De los resultados de la simulación es posible concluir que este desarrollo es un mecanismo predictivo de emisiones, consumo energético y autonomía para este tipo de tecnologías vehiculares dentro los parametros específicos de ruta y condiciones de Bogotá, teniendo en cuenta que el programa fue probado con los resultados de las pruebas reales con el cual fue desarrollado. Adicionalmente, el programa puede ser ampliado para simular otras tecnologías vehiculares desarrollando nuevas funciones dentro del programa y pueden incluirse nuevas rutas y escenarios de prueba para extender el análisis del comportamiento de los vehículos bajo diversas condiciones.

Abstract. The present thesis aims at the development of a computer simulation which can predict the behavior of alternative hybrid and electric vehicular technologies for standard buses, related to their autonomy, energy efficiency and emissions framed and delimited by a Bogotá real driving cycle for the Integrated System of Transportation. The motivation for this study and development of the simulation is due to the efforts made to improve air quality by the Bogotá administration and the District Department of Environment (SDA) [1], [2] which have formulated the Ten Year Plan Bogotá, the implementation of an Integrated Public Transport System (SITP) and the technological acclimatization plan that involves the incursion of new vehicular technologies, which must be tested in Bogota regarding their energy consumption and emissions before Their entry into the transport system. In this way, the development of a tool that can predict these behaviors would reduce the amount of tests required for the incursion of new technologies. With the real route evaluation of representative vehicles by technology, using measurement methods for energy consumption, emission and autonomy behaviors previously established in the GICAEPMA research group, the necessary input variables were obtained to determine these behaviors during the route. The model used to relate the emissions and energy consumption measured during the route with the dynamic behavior of the vehicle is the Vehicle Specific Power (VSP) [3], [4] given in kW/Ton. From this correlation necessary for the development of a correct simulation, it is possible to assign values of energy consumption results in kWh and emission of HC, CO, CO2, NOx and PM2.5, in g/kWh per range Frequency statistics of the VSP calculation of the evaluated vehicles denominated BINs. The autonomy was determined by the total cycle of the route in terms of distance (km) and maximum cycles that can be traversed by the vehicle before the next energy recharge and the percentage of energy discharge per test. By using a methodology for the development of a simulation from real data and the use of a model that represents the vehicle dynamic behavior, results of correlation coefficients R2 were obtained between the real results and those generated by the programmed simulation of 0.99 with coincidence percentages of BIN to BIN between 78.6% and 98% in energy consumption and between 96.9% and 88.2% in emissions for vehicles 1, diesel-electric hybrid, 3 100% electric and 4 Diesel. The hybrid vehicle in hybrid mode has the lowest coincidence rates in CO and PM2.5 emissions between 69.9% and 60.8% respectively due to the configuration of the engine for Bogota conditions. Regarding the autonomy, the percentages of coincidence obtained were of 95.3% for vehicle 1, 97.9% for vehicle 2 and 83.7% for vehicle 3. From the results of simulation it is possible to conclude that the development works as a predictive mechanism of emissions, energy consumption and autonomy for this type of vehicular technologies within the specific route parameters and conditions of Bogotá, having in count that the program was tested with the results of the actual tests with which it was developed. In addition, the program allows simulating other vehicular technologies as long as this new application is developed within the program. In addition, the program can be expanded to simulate other vehicle technologies by developing new functions within the program and new routes and test scenarios can be included to extend the analysis of vehicle behavior under various conditions.