laboratorio de sistemas de almacenamiento de energía...
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Departamento de Ingeniería Eléctrica
Laboratorio de sistemas de almacenamiento de energía
l í ielectroquímico
Presentación doctorado 2013
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ContenidoContenido
• Introducción
• Objetivos laboratorio sistemas almacenamientoj
• Tipos de ensayo
• Pruebas V‐I
• Técnicas de análisis de impedanciap
• Trabajos de investigación
• Modelado de supercondensadores conectados en serie
• Publicaciones
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IntroducciónIntroducción
L i d l i l í i l ilLos sistemas de almacenamiento electroquímico tales como pilas de combustible, baterías, supercondensadores, que permiten el almacenamiento de energía a gran escala pueden ser utilizadosalmacenamiento de energía a gran escala pueden ser utilizados como fuentes de energía en aplicaciones estacionarias (apoyo a energías renovables, sistemas auxiliares) y alimentación de cargas móviles (VE).
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IntroducciónIntroducción
L i ió d i li i lé i iLa integración de estos sistemas en aplicaciones eléctricas tiene un gran interés. Sin embargo estos elementos no pueden ser modelados por su equivalente Thevenin, al igual que una fuentemodelados por su equivalente Thevenin, al igual que una fuente convencional.
I
Fuente de tensiónPotencia no infinita
Sistema ElectroquímicoPotencia no infinita
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Potencia no infinitaEnergía infinita.
Potencia no infinita. Energía no infinita
Objetivos laboratorio sistemas de almacenamientoObjetivos laboratorio sistemas de almacenamiento
R li ió d b d t i ióRealización de pruebas y ensayos de caracterización quepermitan conocer y determinar las características de unelemento o sistema electroquímico.elemento o sistema electroquímico.
A partir de los resultados de ensayos de caracterizacióncrear modelos que reproduzcan el comportamiento de loscrear modelos que reproduzcan el comportamiento de loselementos estudiados (u, i, SOC).
El modelo buscado corresponde a un circuito eléctrico con elque se pueda predecir la respuesta del elemento y laintegración del modelo en plataformas de simulaciónintegración del modelo en plataformas de simulación(Matlab).
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Tipos de ensayosTipos de ensayos
Relación tensión corriente :Relación tensión corriente :
• Carga/descarga a corriente constante.
D i ió d l l ió ió d i i bi• Determinación de la relación tensión de circuito abierto (OCV) con el estado de carga (SOC) en baterías.
Técnicas de análisis de impedancia:
• Interrupción de corriente
• Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS)
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Relación V IRelación V‐I
Carga/descarga a corriente constanteCarga/descarga a corriente constante
Procedimiento: Realizar ciclos de carga y descarga a corriente constante y a diferentes valores de corriente.
Objetivos: • Comportamiento del elemento a ciclos de carga y descarga.
• Determinación de la eficiencia energética.
• Determinación de la variación de la capacidad efectiva con la corriente de cargacarga.
• Determinación de la corriente de descarga nominal (rated current)
• Determinar los tiempos carga y descarga.
Equipos :Fuente de c.c., carga electrónica o caja de resistencias (procesos dedescarga) sensores de corriente de tensión sistema de adquisición de datos
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descarga), sensores de corriente, de tensión, sistema de adquisición de datosDspace (registrar los resultados)
Relación V IRelación V‐I
R lt d dResultados descarga:
Baterías: Descargas a altas corrientes influyen en la capacidad útilBaterías: Descargas a altas corrientes influyen en la capacidad útil (efecto Peukert). Menos tolerancia a las descargas profundas.
Supercondensadores: Admite descargas profundas
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Supercondensadores: Admite descargas profundas.
Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Interrupción de corriente: Es una prueba en el dominio del tiempo en laInterrupción de corriente: Es una prueba en el dominio del tiempo, en la cual el elemento bajo prueba se carga o descarga a una corriente constante hasta llegar a un punto de operación determinado (estado estacionario) d d i t l i tdonde se interrumpe la corriente.
Descarga: La interrupción de la i t dcorriente produce un
incremento instantáneo de la tensión. Pasado un corto i itiempo este incremento continúa de forma no lineal hasta alcanzar la tensión de i i bicircuito abierto.
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Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Debido a procesos internos de difusión, modelados como un sistema de primer orden
Para conocer la dependencia de los parámetros se realizan pruebas a diferentes valores de corriente tanto en carga como en descarga
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diferentes valores de corriente tanto en carga como en descarga.
Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
d l d b d l l l í ( lModelado: Debido a que los elementos electroquímicos son activos (almacenan energía), es necesario incluir en el modelo una fuente de tensión interna (E) que permita reproducir este comportamiento. La determinación de E depende de la tecnología del elemento (en baterías su valor depende del SOC).
La desventaja de esta técnica es la dificultad de identificar con precisión la magnitud del incremento instantáneo de la tensión y que no es posible identificar varias constantes de tiempo (fenómenos de difusión activación
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identificar varias constantes de tiempo (fenómenos de difusión, activación, transferencia de carga).
Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Espectroscopia de impedancia (EIS): Técnica experimental en el dominio deEspectroscopia de impedancia (EIS): Técnica experimental en el dominio de la frecuencia que permite modelar sistemas electroquímicos por medio del cálculo de la impedancia en un intervalo de frecuencia determinado.
Impedancia:
En un ensayo de EIS se mide la corriente y la tensión en cada frecuencia de prueba y se calcula la impedancia en cada puntoprueba y se calcula la impedancia en cada punto.
La prueba se realiza utilizando un analizador de impedancia que permite aplicar una señal alterna de pequeña amplitud (superpuesta a un nivel de p p q p ( p pcontinua) y además realizar el cálculo de la impedancia en cada punto de prueba. El ensayo se realiza a frecuencia variable en un intervalo de frecuencias determinado ( 1 Hz – 1 kHz)
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frecuencias determinado ( 1 Hz 1 kHz)
Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Debido a que la característica tensión‐corriente de un sistema electroquímicoDebido a que la característica tensión‐corriente de un sistema electroquímicoes no lineal, es necesario que la amplitud del rizado de corriente sea losuficientemente pequeño para realizar el cálculo de impedancia sobre una
li l Ad á d d i d ñ dzona lineal. Además no puede ser demasiado pequeño porque puedeconfundirse con ruido (5% Udc)
Ensayo se controla en
Corriente: galvanostáticoCorriente: galvanostático
Tensión: potenciostático
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Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Diagrama de Nyquist Diagrama de Bode
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g yq g
Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Representación de elementos en el diagrama de Nyquist:Representación de elementos en el diagrama de Nyquist:
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Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Ejemplo Solartron 1260:Ejemplo Solartron 1260:
GEN OUTPUT: Onda de salida Corriente: mide la I en cada punto de pruebap pV1: Mide la tensión en cada punto de prueba.
Desventaja: La corriente generada es muy pequeña (100 mA) para
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Desventaja: La corriente generada es muy pequeña (100 mA) para aumentar la corriente es necesario un potenciostato (caro)
Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Procedimiento desarrollado en LEESS:Procedimiento desarrollado en LEESS:
El control de la señal del solartron permite realizar pruebas a corrientes
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El control de la señal del solartron permite realizar pruebas a corrientes elevadas de hasta 150 A en el caso de supercondensadores.
Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Foto montaje EIS:
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Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Ejemplo resultados EIS: supercondensadorEjemplo resultados EIS: supercondensador
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Técnicas de análisis de impedanciaTécnicas de análisis de impedancia
Impedancia supercondensador:Impedancia supercondensador:
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Trabajos de investigaciónTrabajos de investigación
Realizados:Realizados:Por medio del procedimiento de EIS se han obtenido los modelos de :
• Pila de combustible Nexa, • Batería de plomo, (celdas individuales)• Condensador de 3000 F (celdas individuales)• Determinación de un sistema en por unidad que permite
comparar sistemas de almacenamientocomparar sistemas de almacenamiento.
En desarrollo:• Modelado de módulos de celdas de supercondensadores• Modelado de módulos de celdas de supercondensadores
y baterías de ion litio.
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Modelado supercondensadores conectados en serieModelado supercondensadores conectados en serie
La baja tensión de funcionamiento de un SC ( menor a 3 V) hace
necesaria la conexión en serie. Para evitar desequilibrios de
tensión es necesario el uso de circuitos de ecualización.
Ejemplo:
6 SCs en serie
500 F, 15 V.
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Modelado supercondensadores conectados en serieModelado supercondensadores conectados en serie
P d l SC i tiliPara modelar SCs en serie se utiliza:
Red RC equivalente ó n modelos individuales.
N id l f d l i i d li ió i dNo se considera el efecto de los circuitos de ecualización ni de
los demás elementos pasivos del circuito.
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Modelado supercondensadores conectados en serieModelado supercondensadores conectados en serie
Validación experimental:Validación experimental:
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Modelado supercondensadores conectados en serieModelado supercondensadores conectados en serie
Para encontrar diferencias se hace EIS a 6 SC y se compara conPara encontrar diferencias se hace EIS a 6 SC y se compara con un SC:
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Modelado supercondensadores conectados en serieModelado supercondensadores conectados en serie
Propuesta unidad funcional para modelar cadenas SC :Propuesta unidad funcional para modelar cadenas SC :
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Modelado supercondensadores conectados en serieModelado supercondensadores conectados en serie
Modelado 6 SC serie:Modelado 6 SC serie:
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Publicaciones:Publicaciones:
S. Castano, L. Gauchia, J. Sanz, "Effect of Packaging on Supercapacitors Strings Modeling: Proposal of a Functional Unit Defined Around the Balancing Circuit", IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. DOI:10.1109/TCPMT.2013.2252956
‐ L. Gauchia, and J. Sanz, "Per‐unit hardware‐in‐the‐loop simulation of a fuel cell/battery hybrid energy system" IEEE Transactions on Industrial Electronicscell/battery hybrid energy system , IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 5, no. 4, pp. 1186‐1194, April 2010.
L G hi d J S "P it t ti f l t i l it d i‐ L. Gauchia, and J. Sanz, "Per unit representation of electrical magnitudes in batteries: a tool for comparison and design", Energy Conversion and Management, vol. 50, pp. 554‐560, 2009.
‐ P. Fontela, A. Soria, J. Mielgo, J.F Sierra, L. Gauchia, J.M. Martinez, "Airport electric vehicle powered by fuel cell", Journal of Power Sources, vol. 169, pp. 184‐
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193, 2007.
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Laboratorio de sistemas deLaboratorio de sistemas de almacenamiento de energía
electroquímico
Presentación doctorado 2013
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