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Publicação
Development and Experimental Study of a Series-Parallel Hybrid Powertrain Prototype Using a Planetary Gearset
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
In recent years, unmanned aerial vehicles (UAVs) have emerged as a versatile solution
across a wide range of applications. Their adaptability, safety, and cost-efficiency make
them particularly valuable in complex or hazardous environments. At the same time,
growing environmental concerns and the global push toward reducing greenhouse gas
emissions have sparked interest in more sustainable propulsion technologies. While
electric UAVs represent a promising convergence of innovation and ecological
responsibility, these still present several limitations such as payload capacity and
endurance. In this regard, fuel-electric hybrid UAVs present an auspicious alternative,
covering the disadvantages of electric UAVs and being more environmental-friendly than
UAVs powered exclusively by fossil fuels.
This dissertation presents the design, development, and experimental validation of a
prototype series-parallel hybrid powertrain integrating a planetary gearset. The system
combines an internal combustion engine (ICE) with two electric motors (MG1 and MG2),
enabling multiple operating modes: series hybrid, parallel hybrid, electric-only, and
engine start; without altering the mechanical configuration. Inspired by the Toyota
Hybrid System, the planetary gearset serves as a power-split device, allowing dynamic
energy distribution among the powerplants.
The prototype was constructed using a combination of 3D-printed components and
custom-machined parts, with control implemented via manual throttles and a
microcontroller-based data acquisition system. Despite adverse events that restricted the
system’s idealized operation, there were obtained results that validate the core
functionality of the hybrid architecture and highlight key areas for improvement,
including material durability, sensor reliability, and control automation. This work lays
the foundation for future iterations aimed at UAV integration and enhanced energy
efficiency.
Nos últimos anos, os veículos aéreos não tripulados (UAVs) têm-se afirmado como uma solução versátil em diversas aplicações. A sua adaptabilidade, segurança e eficiência económica tornam-nos particularmente valiosos em ambientes complexos ou perigosos. Paralelamente, o crescente foco nas questões ambientais e o esforço global para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa têm despertado o interesse por tecnologias de propulsão mais sustentáveis. Embora os UAVs elétricos representem uma convergência promissora entre inovação e responsabilidade ecológica, continuam a apresentar limitações significativas, como a reduzida capacidade de carga e autonomia. Neste contexto, os UAVs híbridos, que combinam combustíveis fósseis com energia elétrica, surgem como uma alternativa auspiciosa, colmatando as desvantagens dos UAVs elétricos e sendo mais ecológicos do que os sistemas exclusivamente movidos a combustíveis fósseis. Esta dissertação apresenta o projeto, desenvolvimento e validação experimental de um protótipo de sistema de propulsão híbrido série-paralelo, integrando um conjunto de engrenagem planetária. O sistema combina um motor de combustão interna (ICE) com dois motores elétricos (MG1 e MG2), permitindo múltiplos modos de operação: híbrido em série, híbrido em paralelo, totalmente elétrico, e arranque do motor a combustão; sem necessidade de alterar a configuração mecânica. Inspirado no sistema híbrido da Toyota (THS), o conjunto planetário funciona como dispositivo de divisão de potência, permitindo uma distribuição dinâmica de energia entre os diferentes propulsores. O protótipo foi construído com uma combinação de componentes impressos em 3D e peças maquinadas à medida, com controlo implementado através de aceleradores manuais e um sistema de aquisição de dados utilizando um microcontrolador. Apesar dos eventos adversos que limitaram a operação idealizada do sistema, foram obtidos resultados que validam a funcionalidade central da arquitetura híbrida e evidenciam áreas-chave para melhorias futuras, incluindo a durabilidade dos materiais, a fiabilidade dos sensores e a automatização do controlo. Este trabalho estabelece as bases para futuras iterações orientadas para a integração em UAVs e para uma maior eficiência energética.
Nos últimos anos, os veículos aéreos não tripulados (UAVs) têm-se afirmado como uma solução versátil em diversas aplicações. A sua adaptabilidade, segurança e eficiência económica tornam-nos particularmente valiosos em ambientes complexos ou perigosos. Paralelamente, o crescente foco nas questões ambientais e o esforço global para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa têm despertado o interesse por tecnologias de propulsão mais sustentáveis. Embora os UAVs elétricos representem uma convergência promissora entre inovação e responsabilidade ecológica, continuam a apresentar limitações significativas, como a reduzida capacidade de carga e autonomia. Neste contexto, os UAVs híbridos, que combinam combustíveis fósseis com energia elétrica, surgem como uma alternativa auspiciosa, colmatando as desvantagens dos UAVs elétricos e sendo mais ecológicos do que os sistemas exclusivamente movidos a combustíveis fósseis. Esta dissertação apresenta o projeto, desenvolvimento e validação experimental de um protótipo de sistema de propulsão híbrido série-paralelo, integrando um conjunto de engrenagem planetária. O sistema combina um motor de combustão interna (ICE) com dois motores elétricos (MG1 e MG2), permitindo múltiplos modos de operação: híbrido em série, híbrido em paralelo, totalmente elétrico, e arranque do motor a combustão; sem necessidade de alterar a configuração mecânica. Inspirado no sistema híbrido da Toyota (THS), o conjunto planetário funciona como dispositivo de divisão de potência, permitindo uma distribuição dinâmica de energia entre os diferentes propulsores. O protótipo foi construído com uma combinação de componentes impressos em 3D e peças maquinadas à medida, com controlo implementado através de aceleradores manuais e um sistema de aquisição de dados utilizando um microcontrolador. Apesar dos eventos adversos que limitaram a operação idealizada do sistema, foram obtidos resultados que validam a funcionalidade central da arquitetura híbrida e evidenciam áreas-chave para melhorias futuras, incluindo a durabilidade dos materiais, a fiabilidade dos sensores e a automatização do controlo. Este trabalho estabelece as bases para futuras iterações orientadas para a integração em UAVs e para uma maior eficiência energética.
Descrição
Palavras-chave
Controlo do Esc Engrenagens Planetárias Estratégia
de Controlo Motor
Elétrico Motor de Combustão Interna Operação Multimodal Propulsão Sistema de Propulsão Híbrido Uav