Advanced control for fuel cell systems
- Autores: Alicia Arce Rubio
- Directores de la Tesis: Carlos Bordóns Alba (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2010
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Fernández Camacho (presid.), Miguel Angel Ridao Carlini (secret.), Efstratios N. Pistikopoulos (voc.), Jordi Riera Colomer (voc.), Giovanni Spagnolo (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
La investigación y desarrollo de sistemas basados en pilas de combustible ha incrementado considerablemente durante las dos últimas décadas motivado por la reciente preocupación por el calentamiento global y la escasez de los combustibles convencionales. A pesar de este auge en dichas tecnologías son diversas las áreas que tienen retos que deben ser afrontados antes de poder comercializar este tipo de sistemas. En concreto, la eficiencia, los costes de producción y la vida útil son algunos de los puntos más importantes que deben ser abordados. En relación con estos temas, esta tesis estudia la implementación real de controladores avanzados para pilas de combustibles trabajando aisladamente e integradas en sistemas automovilísticos. Para ambos casos, el objetivo de este trabajo es mejorar la eficiencia energética global del sistema a la vez que se minimiza la degradación de los componentes integrantes del sistema. A lo largo de esta tesis se plantean varios modelos matemáticos que estudian el comportamiento de los sistemas estudiados y además son herramientas muy útiles para diseñar, simular y validar estrategias de control. Estos modelos deben ser lo suficientemente simples con la finalidad de diseñar controladores pero a la vez deben capturar correctamente la dinámica de los sistemas. Estos dos conceptos que tienen requerimientos contradictorios dan lugar a unos modelos que cumplen un compromiso entre esfuerzo computacional basados en ecuaciones de primeros principios y relaciones basadas en datos experimentales que no requieren tanta computación. Las principales innovaciones que se presentan en el modelo del sistema de pila de combustible son la inclusión de los efectos de condensación y evaporación del agua por lo que se modela la dinámica de las dos fases del agua, la dinámica térmica de la pila de combustible y la secuencia de arranque del dispositivo. El modelo propuesto es validado con datos experimentales obtenidos del banco de ensayos que se encuentra en los laboratorios de la Universidad de Sevilla y que consta de una pila de combustible de 1.2 kW junto con todos los equipos auxiliares necesarios para su correcto funcionamiento (compresor de aire, ventilador, válvulas y carga electrónica). Por otro lado, el modelo se adecua con diversos sensores y hardware para la implementación y validación de los controladores y optimización formulados, cuyos resultados también se incluyen y discuten en esta tesis.
Por último, se presenta un estudio de controladores avanzados para vehículos híbridos propulsados por pilas de combustible. Este estudio está enfocado a la gestión de potencia de dichos vehículos. La estrategia de control propuesta consta de la maximización de la eficiencia global del sistema y la minimización del ratio de degradación de la pila de combustible y de las baterías. Por lo tanto, el controlador requiere el tratamiento de variables continuas y binarias, de modelos lineales a trozos (Piece- Wise Affine Models), de restricciones en diferentes regiones de funcionamiento y de tiempos de muestreos críticos entorno a los 20 ms. Con esta finalidad se propone un controlador explícito predictivo con formulación matemática híbrida, es decir trata tanto variables continuas como binarias. El objetivo de este controlador es seguir la referencia de la demanda de la potencia del motor eléctrico a la vez que se mantienen el estado de carga de las baterías entorno a unos valores óptimos que garantizan que el valor final del estado de carga de las baterías es igual o superior que el estado de carga inicial. El controlador incluye restricciones sobre el tiempo de encendido y apagado de la pila de combustible, umbrales de operación de la pila de combustible, control de la gestión de carga de las baterías y restricciones de descarga en modo continuo y discontinuo de las baterías. Los resultados en simulación muestra un buen comportamiento del controlador propuesto para perfiles de conducción en ciudad, autopista y mixtos. Dados dichos resultados, se estudia la incorporación de predicciones del ciclo de conducción. Estas predicciones están basadas en la información proporcionada por el sistema de posicionamiento global (GPS) y la información de tráfico y ruta, motivado por la actual incorporación de dichas tecnologías en el mercado automovilístico. Con dicha información, los perfiles de velocidad del vehículo y la potencia demandada por el motor son estimados y dichas estimaciones son actualizadas en un tiempo de muestreo de 1 minuto con la nueva información adquirida. Después de este proceso, se optimiza el estado de carga de las baterías de manera que se obtenga un perfil futuro óptimo que minimice el consumo de combustible y garantice que el valor final del estado de carga de las baterías sea igual o mayor que el valor inicial. Los resultados en simulación muestran un prometedor decremento del consumo de hidrógeno.
