Nonlinear dynamic per-unit models for electrochemical energy systems: application to a hardware-in-the-loop hybrid simulation

• Autores: Lucía Gauchía Babé
• Directores de la Tesis: Javier Sanz Feito (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2009
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Inmaculada Zamora Belver (presid.), Guillermo Robles Muñoz (secret.), Jesús Palma del Val (voc.), Hortensia Amaris (voc.), Alain Bouscayrol (voc.)
• Materias:
  • Matemáticas
    • Ciencia de los ordenadores
      • Simulación
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología energética
      • Fuentes no convencionales de energía
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • La situación energética actual está dominada por los combustibles fósiles, especialmente por el petróleo. Esta dependencia se está conviertiendo en arriesgada debido a las decrecientes reservas, a la incertidumbre de los recursos de petróleo y a las consecuencias económicas y políticas de una concentración de reservas en países de Oriente Medio. El sector transportes tiene una particular dependencia del petróleo como combustible y es una fuente de contaminación debido a su combustión. De cara a reducir esta dependencia se están introduciendo energías renovables como fuentes alternativas de energía. Las más comunes son la eólica y la fotovoltaica, aunque existen otros tipos, como las energías mareomotriz, de gradiente térmico, biomasa o undomotriz. El principal inconveniente de estas energías es su carácter no programable, que fomenta el uso de sistemas de almacenamiento de energía. Las energías renovables mencionadas no son aplicables a vehículos, por lo que para el sector transportes es más interesantes el uso de vectores energéticos tales como el hidrógeno. El hidrógeno puede ser un sustituto del petróleo para aplicaciones vehiculares, pero primero se han de resolver ciertos problemas, como son el elevado coste, la seguridad y el establecimiento de una infraestructura de distribución de hidrógeno. Como en el caso de los sistemas estacionarios renovables, las pilas de combustible de aplicación vehicular necesitan sistemas de almacenamiento de energía que sean capaces de suministrar picos de potencia durante la aceleración o subiendo una pendiente. Esta situación energética ha provocado un incremento del desarrollo e investigación de sistemas electroquímicos, tales como las pilas de combustible, las baterías y los supercondensadores. Sobre todo, se está realizando un esfuerzo en el diseño, modelado, control y fabricación de estos sistemas, que permita su implantación tanto en aplicaciones estacionarias como vehiculares o portátiles. Esta Tesis presenta el modelado dinámico no lineal de sistemas electroquímicos tales como las pilas de combustible, las baterías y los supercondesadores a través de ensayos en el dominio de la frecuencia, además de su validación con resultados experimentales. Se propone un sistemas por unidad para aquellos sistemas electroquímicos activos (pila de combustible y batería). Estos sistemas son una herramienta útil para el diseño y comparación, debido a la gran variedad de tensiones y capacidades que pueden encontrarse, por ejemplo, en las baterías. Además, se ha propuesto un método de ensayo de espectroscopía de la impedancia para supercondensadores durante elevadas corrientes. Los resultados obtenidos y la comparación con resultados experimentales son muy positivos. Por último, se ha realizado una simulación hardware-in-the-loop de sistemas híbridos de energía. La simulación realizada presenta un coste y complejidad menor que otros tipos de simulaciones. Esto es debido a que los elementos más caros, como es la pila de combustible, son sustituidos por una fuente de potencia programable capaz de reproducir la dinámica de tensión y corriente de la pila de combustible. Además, se propone un simulador de vehículo, capaz de reproducir, tanto la potencia demandada por el vehículo como el frenado regenerativo. La pila de combustible simulada y una batería real alimentan en paralelo al vehículo simulado, permitiendo llevar a cabo una simulación por unidad del conjunto y la prueba de diferentes estrategias de control para un determinado ciclo de conducción. ___________________________________________________ The current energy situation is dominated by fossil fuel, especially oil. This dependency is turning critical due to the reducing reserves, uncertain oil resources, and political and economical ramifications of a concentration of fossil fuel reserves on the Middle East countries. The transportation sector is especially dependant on oil, and the combustion of oil produces environmentally harmful emissions. Renewable energies are being introduced to reduce this fossil fuel dependency and emissions. The most extended are wind and solar photovoltaic, but other types such as tidal, thermal gradient, biomass or wave energy are also under research. The principal disadvantage of these renewable energies is its non-dispatchable nature, which forces the use of energy storage systems. The renewable energies mentioned are not viable for the transportation sector, which considers more interesting other energetic vectors such as hydrogen. Hydrogen could substitute oil, but must first overcome cost, safety and hydrogen filling stations infrastructure problems. Just as in the case of stationary systems, fuel cells need energy storage systems, in this case to supply high power peaks during acceleration. This energetic situation has caused an increase of the research and development of electrochemical systems, such as fuel cells, batteries and ultracapacitors. Intense research is being carried out in modeling, control and manufacture in order to apply them to both vehicular and stationary applications. This Thesis presents the nonlinear dynamic modeling of electrochemical systems, such as fuel cell, batteries and ultracapacitors, through frequency domain tests and its validation with experimental tests. A per-unit system has been proposed for the active electrochemical systems: fuel cell and battery. This per-unit approach has revealed as a useful tool for comparison and design, due to the great disparity of voltages and capacities, e.g. in batteries, which can be found. Moreover, an experimental setup has been proposed in order to allow the electrochemical impedance spectroscopy tests of ultracapacitors during high current loads. Tests were carried out satisfactorily and a precise model was obtained. Finally, a hardware-in-the-loop simulation for hybrid energy sources is presented. The simulation carried out has a lower cost and complexity compared to the real system. This is due to the fact that the higher cost system, the fuel cell and hydrogen installation, was substituted by a controlled dc power source able to reproduce its current and voltage evolution. Moreover, a vehicle simulator, able to reproduce the vehicle power demand and regenerative breaking is proposed. The simulated fuel cell and a real battery are connected to the simulated vehicle, allowing to carry out a per-unit simulation of di®erent control strategies for a particular driving cycle.