Resumen de Dimensionamiento, modelado e implementación de sistemas de distribución de potencia aplicados a vehículos eléctricos híbridos basados en pilas de combustible
Mª Carmen Raga Arroyo
El creciente problema medioambiental que se sufre a nivel global, que se manifiesta a través de la contaminación atmosférica, partículas en suspensión, contaminación acústica, efecto invernadero, y calentamiento global, junto con el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, exige un cambio tecnológico que alcance a todos los sectores de la industria. Se prevé que el parque automovilístico mundial se duplicará entre el año 2015 y el año 2030, pasando de 800 millones a 1600 millones de vehículos, lo que pone de manifiesto la necesidad de que el cambio tecnológico alcance al campo de la automoción para asegurar una movilidad sostenible a largo plazo. Los principales fabricantes de vehículos, entre ellos Toyota, Renault, BMW, Peugeot y Nissan, han dado un primer paso hacia el vehículo limpio y energéticamente eficiente introduciendo en el mercado vehículos híbridos que combinan motores de combustión interna con baterías, como son los automóviles ActiveHybrid5, 3008 Hybrid4 y Toyota Prius, y vehículos eléctricos propulsados únicamente por baterías como pueden ser el Twizy, Fluence Ze, iOn, o Leaf. A pesar de que se estima una cuota de mercado en ventas de vehículos eléctricos del 2% en 2020 y entre el 11% y el 30% en 2030, aún quedan barreras tecnológicas por vencer, que impiden la sustitución definitiva de los vehículos de combustión interna. Los vehículos propulsados por pilas de combustible empiezan a ser considerados como una alternativa firme a los vehículos puramente eléctricos, a pesar de la necesidad de mejorar aspectos tecnológicos relacionados con el almacenamiento del hidrógeno, la creación de redes de distribución de hidrógeno, reducción de costes del vehículo, etc. Honda ya ha presentado el primer vehículo propulsado por una pila de combustible de fabricación en serie, el modelo FCX Clarity, con una autonomía de 460km y velocidad máxima de 160km/h. De momento se fabrica en Japón y se comercializa en Japón y en California, con una previsión de comercialización en Europa en 2015. Por su parte, Hyundai ha iniciado la producción en serie del modelo ix35 FCEV en Corea del Sur, con un objetivo de producción de 10.000 unidades en 2015. De hecho, se han establecido diferentes alianzas entre grupos automovilísticos, que investigan de forma conjunta en el desarrollo del sistema de propulsión de vehículos basados en pilas de combustible, con objeto de llegar al mercado de masas lo antes posible. El sistema de distribución de potencia de un vehículo eléctrico propulsado por pilas de combustible está formado por una pila de combustible como fuente de energía principal, un conjunto de convertidores de potencia, unidireccionales o bidireccionales, y por sistemas acumuladores de energía, que suelen ser baterías y/o supercondensadores. En función del número, ubicación y naturaleza de los convertidores de potencia y de los sistemas acumuladores de energía, existen multitud de posibilidades en cuanto al diseño de una arquitectura de distribución de potencia, aún más si se tienen en cuenta la estrategia de control, la gestión de la potencia y el almacenamiento de la energía procedente del frenado regenerativo. Debido a la complejidad inherente a este tipo de sistemas, es necesario el uso de herramientas de simulación que permitan llevar a cabo un diseño y análisis óptimos del sistema de distribución de potencia eléctrica completo, para lo que resulta imprescindible disponer de modelos dinámicos de todos los subsistemas que integran una arquitectura de distribución de potencia, desde la pila de combustible hasta el propio vehículo. Por otro lado, tanto el dimensionamiento como la selección del sistema de distribución de potencia eléctrica más adecuado para un vehículo es una tarea compleja y con grandes repercusiones sobre la masa, volumen, coste, eficiencia, consumo y autonomía del vehículo. En este ámbito, las propuestas presentadas en esta tesis doctoral están relacionadas con el proceso de dimensionamiento, análisis, y selección del sistema de distribución de potencia eléctrica más adecuado para una aplicación específica. Se proponen dos modelos de pila de combustible, uno para pilas con respuesta temporal sobreamortiguada, y otro para pilas con respuesta temporal impulsional-sobreamortiguada. Ambos modelos aportan simplicidad en la identificación de sus parámetros, implementación sencilla y gran precisión en su comportamiento. Por otra parte, se propone un método de dimensionamiento óptimo para un sistema de propulsión completo, en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible. Además, se presenta un mapa de soluciones en el que es fácilmente identificable cuál es la configuración del sistema de propulsión más adecuada, desde el punto de vista del coste, masa y volumen global, en función de la máxima potencia que entregue la pila de combustible. Y finalmente se demuestra cómo una adecuada gestión de la energía permite reducir el consumo de hidrógeno de la pila de combustible, habiendo realizado tanto un dimensionamiento óptimo como inadecuado de todos los subsistemas del sistema de propulsión. La descripción en detalle de todas las aportaciones se ofrece a lo largo del documento, que se estructura tal y como se describe a continuación. El primer capítulo ofrece una visión global del papel de la automoción, y más en concreto de los vehículos propulsados por pilas de combustible, baterías y supercondensadores, en el empeño y necesidad de migrar hacia el uso de energías respetuosas con el medio ambiente. En el segundo capítulo se hace una revisión del estado de la técnica de todos los subsistemas que forman un sistema de distribución de potencia eléctrica. En primer lugar se exploran las diferentes topologías de sistemas de propulsión que se han presentado en la literatura, así como las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. A continuación se estudian los diferentes modelos y técnicas de identificación de parámetros que existen para la pila de combustible, baterías y supercondensadores. En cuanto a los convertidores de potencia, se resumen brevemente las topologías más adecuadas para este tipo de arquitecturas de distribución de potencia, sus ventajas e inconvenientes. Posteriormente se describe qué tipos de motores de tracción pueden resultar más atractivos para aplicaciones de automoción. Y finalmente se analizan en detalle los procedimientos de dimensionamiento que existen para los diferentes sistemas de propulsión, así como las distintas técnicas que se pueden aplicar para alcanzar una adecuada gestión de la energía. El tercer capítulo detalla, una vez realizada la revisión del estado del arte e identificados los aspectos en los que se pueden ofrecer contribuciones a la técnica, cuáles son los objetivos y principales aportaciones que persigue esta tesis doctoral: dos modelos de pila de combustible para simulación a nivel de sistema, sencillos, fáciles de parametrizar y precisos; un procedimiento sencillo de dimensionamiento óptimo de sistemas de distribución de potencia eléctrica en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible; un completo mapa de soluciones en cuanto a qué sistema de distribución de potencia eléctrica resulta más adecuado implementar en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible; un completo análisis de los principales factores que influyen directamente sobre el dimensionamiento y selección del sistema de distribución de potencia eléctrica óptimo; y finalmente el análisis y comprobación de la necesidad de aplicar estrategias de gestión de la energía con el propósito de minimizar el consumo de hidrógeno de la pila de combustible. En el cuarto capítulo se describe el marco de aplicación de los sistemas de propulsión. En primer lugar se concretan las características básicas de los convertidores de potencia, sistemas acumuladores de energía, y pila de combustible. Además, se describen los perfiles de conducción que se van a aplicar al vehículo. Por último, se presentan las diez arquitecturas de distribución de potencia sobre las que se aplica el procedimiento de dimensionamiento óptimo propuesto. El capítulo quinto se dedica por completo a la descripción detallada del procedimiento de dimensionamiento óptimo que se aplica a los sistemas de distribución de potencia eléctrica basados en pilas de combustible, baterías y supercondensadores, y constituye una de las aportaciones originales de esta tesis doctoral. Mediante la aplicación de este método de dimensionamiento se ha podido identificar en qué rangos de la potencia máxima entregada por la pila de combustible resulta más adecuado el uso de baterías, supercondensadores, o ambos a la vez. No sólo se han establecido tres rangos diferentes de potencia, sino que además se han identificado cuáles son los valores limítrofes de potencia que minimizan la masa, volumen y coste globales de los sistemas de distribución de potencia eléctrica. Atendiendo a los límites de potencia de diseño, todos los sistemas de distribución de potencia eléctrica analizados se han clasificado de forma natural atendiendo al tipo de sistema acumulador de energía que implementan. Finalmente, el resultado final del proceso de dimensionamiento es un mapa de soluciones en el que se puede identificar qué tipo de sistema de distribución de potencia eléctrica es el más adecuado, junto con qué tecnología de sistema de acumulación de energía, en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible, desde el punto de vista de la masa, volumen y coste global del sistema de propulsión. El capítulo sexto estudia detenidamente cuáles son las repercusiones, sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, de aplicar diferentes perfiles de conducción sobre el vehículo: urbano, inter-urbano y de carretera. También se analiza la influencia de utilizar diferentes tecnologías de baterías, así como el impacto de extraer mayor o menor cantidad de energía de los sistemas acumuladores, tanto de las baterías como de los supercondensadores. Del mismo modo, se ha estudiado el efecto que ejerce sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, los diferentes valores de potencia mínima que deba entregar la pila de combustible. También se ha evaluado de qué manera afecta la máxima energía que deben suministrar las fuentes de energía secundarias en cada ciclo de conducción, respetando la especificación de tensión del bus de corriente continua, sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica. Finalmente, se ha analizado la repercusión sobre la masa, volumen y coste, así como sobre el mapa de soluciones, de que los sistemas acumuladores entreguen, ciclo a ciclo, una energía neta negativa, es decir, que la energía que entregan durante cada ciclo sea menor que la recibida del frenado regenerativo en dicho ciclo. En todos estos análisis, no sólo se han considerado las repercusiones sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, sino que también se ha analizado cómo se ven modificados los rangos de potencia en los que se recomienda diseñar cada grupo de arquitecturas. El capítulo se cierra con un breve análisis de sensibilidad de costes. Con objeto de validar mediante simulación el procedimiento de dimensionamiento óptimo descrito, en el capítulo séptimo se describe el modelado de cada uno de los subsistemas que forman el tren de potencia de un vehículo propulsado por pilas de combustible, baterías y supercondensadores. Los dos modelos que se proponen de la pila de combustible son aportación original de este trabajo. Cada modelo reproduce uno de los dos tipos de respuesta transitoria específica que presentan las pilas de combustible. Sendos modelos se caracterizan por su simplicidad en la identificación de sus parámetros, implementación sencilla y precisión en su comportamiento. También destaca la descripción detallada que se efectúa sobre el modelado del conjunto driver-motor-vehículo, desde las ecuaciones eléctricas y mecánicas que describen su comportamiento, hasta la obtención del modelo de pequeña señal para diseñar los lazos de control, y el modelo de simulación eléctrica implementado en la herramienta de simulación. Una vez desarrollados los modelos de todos y cada uno de los subsistemas que forman las arquitecturas de distribución de potencia, el capítulo octavo se centra en el análisis mediante simulación eléctrica del comportamiento de un total de cuatro sistemas de distribución de potencia eléctrica, gobernados con lazos de control en modo corriente y en modo tensión. Cada sistema de distribución de potencia eléctrica se ha dimensionado de acuerdo al rango de potencia óptimo en el que se sugiere su diseño. Las simulaciones con lazos de control en modo corriente y en modo tensión se muestran para un único ciclo de conducción. Además, con el objetivo de verificar que el dimensionamiento de los sistemas de distribución de potencia eléctrica llevado a cabo es correcto, se presentan simulaciones de una jornada de funcionamiento del vehículo de ocho horas de duración. La validación experimental de los sistemas de distribución de potencia eléctrica se aborda en el capítulo noveno. En primer lugar se describe el diseño e implementación física de los convertidores de potencia y de los circuitos de control, que junto a las baterías y supercondensadores constituyen cada uno de los sistemas de distribución de potencia eléctrica que se implementan. A continuación, se presentan el conjunto de pruebas y medidas experimentales que se han llevado a cabo, y que dan veracidad al método de dimensionamiento presentado. En el capítulo décimo se analiza la repercusión de aplicar estrategias de gestión de la energía sobre los sistemas de propulsión. Para ello, se analiza y compara el comportamiento de las fuentes de energía (pila de combustible y batería) de un sistema de distribución de potencia eléctrica cuando está sujeto o no a la acción de este tipo de técnicas. Las conclusiones que se extraen de este capítulo se centran en el consumo de combustible (hidrógeno) a lo largo de una jornada laboral, y por tanto en el coste diario del hidrógeno consumido, y en el coste diario de la electricidad necesaria para recargar las baterías al final del día. El capítulo undécimo resume las conclusiones obtenidas a lo largo del documento, así como las aportaciones originales de este trabajo, y propone un conjunto de posibles trabajos futuros.
