tesis pila combustible bateria

7/31/2019 Tesis Pila Combustible Bateria

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MASTER EN INGENIERA ELCTRICA, ELECTRNICA Y AUTOMTICA

Tesis de Master

Modelado y simulacin HIL

(hardware-in-the-loop) de un sistema

pila de combustible - batera

Realizada por: Luca Gaucha Bab

Dirigida por: Dr. Javier Sanz Feito

Julio 2008


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Agradecimientos

Como este camino hacia la tesis es en compaa, me gustara agradecer a lassiguientes personas su presencia y apoyo.

Sobretodo, a mi director de tesis, Javier Sanz, por su entusiasta, comprometida ycontinua ayuda y gua, sin el cual estara en algn punto ignoto en el ancho mundo dela investigacin. Pero no solo lo cientfico es relevante, por ello, querra destacar su

humanidad, humor y cercano trato en todas las circunstancias. Sin exagerar un pice,es un privilegio trabajar contigo.

A mis padres, por su amoroso y comprensivo apoyo y fundamental presencia entodo lo que hagoy por aceptar a mi tesis como otro miembro de la familia.

A mi hermano Padua, por sus consejos, cario y tremenda paciencia paraescuchar todas mis venturas y desventuras. No s que hara sin ti!

A todos los compaeros del departamento, realmente es un placer trabajar aqu.

Especial mencin a mis compaeras de despacho Diana y Mnica V., por todoslos buenos momentos, risas, confidencias y mascotas compartidas, sin olvidar aCarlos A., Carlos G., Quino y lvaro.

Tambin quiero agradecer a Mnica Ch. todo su cario y maravilloso trato.

Agradezco el nimo y calidez de M. ngeles, Jorge, Hortensia, Guillermo, JuanCarlos y Juanma durante los momentos peliagudos.


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Resumen

La situacin energtica actual y futura est condicionada por las limitadasreservas de combustibles fsiles. Esta situacin energtica afecta especialmente alsector transportes, ya que es el mayor consumidor de energa. Este hecho, junto conla creciente preocupacin por el medioambiente, impulsa la investigacin ydesarrollo de otras fuentes de energa.

En el sector transportes, el motor trmico propulsado por combustible puede sersustituido por sistemas electroqumicos como la pila de combustible, las bateras, oultracondensadores. El xito en la implantacin a gran escala de estos sistemasdepende de la superacin de problemas que se presentan actualmente con elalmacenamiento y suministro del hidrgeno, el coste y la autonoma.

En esta Tesis de Master se aborda el modelado dinmico y simulacin de la pilade combustible de baja temperatura PEM y la batera de plomo cido VRLA. Elmodelado de ambos sistemas puede ser abordado desde diferentes puntos de vista,como el fluido trmico, electroqumico, elctrico, etc. debido al carctermultidisplinar de estas tecnologas. En este trabajo se realiza un modelado elctrico

basado en medidas experimentales. Los ensayos llevados a cabo son de interrupcinde corriente y de espectroscopia de la impedancia.

Adems del modelado y simulacin de la pila de combustible y batera, sedesarrolla una plataforma de ensayo de sistemas de energa. Esta plataforma deensayo es de simulacin HIL (hardware in the loop). Esta metodologa de simulacines muy utilizada en el sector aerospacial y automovilstico para la prueba de unidadesde control o simulacin de fallos, adems de reducir el coste, simplificar lainstalacin, y permitir mayor flexibilidad.

Es por ello, que se desarrolla una simulacin HIL, en la que el sistema hardwarees la batera y los sistemas simulados son la pila de combustible y la dinmicavehicular. Estos dos sistemas simulados interaccionan a travs de seales de potenciacon la batera real ya que la simulacin se realiza a travs de otros equipos quesimulan el comportamiento de pila de combustible y dinmica vehicular.


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Abstract

The current and future energetic situation is conditioned by the limited fossil fuelreserves. This energetic situation affects specially the transportation sector, due to itshigher energy consumption. This fact, as well as the increasing environmentalconcern impulses the research and development of alternative energy sources.

In the transportation sector, the internal combustion engine propelled by fossilfuel can be substituted by electrochemical systems, such as the fuel cell, batteries orultracapacitors. The success for carrying out the implementation at large scaledepends on the ability to solve current problems of hydrogen storage and supply, costand range.

In this Master Thesis, the dynamic model and simulation of a low temperaturefuel cell PEM and a lead acid battery VRLA is accomplished. The modelling of bothsystems can be tackled from different points of view, such as fluid thermal,electrochemical, electric, etc. due to the multi disciplinary nature of thesetechnologies. In this thesis, an electric model based on experimental work is

presented for both systems. The tests carried out are current interruption andelectrochemical impedance spectroscopy tests.

Apart from the modelling and simulation of fuel cell and battery, a test bench forenergy sources is developed. This test bench is a hardware in the loop (HIL)simulation. This methodology is extensively used in the aero spatial and automotivesectors to carry out test on electronic control units or fault simulations, reducing cost,simplifying the installation required and allowing a greater flexibility.

Therefore, a HIL simulation is performed, taking the battery as the hardware

system and the fuel cell and vehicle dynamics as the simulated systems. This twosimulated systems interact through power signals with the real battery as thesimulation of these systems are done through other equipments which simulate the

behaviour of the fuel cell and the vehicle dynamics.


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ndice de contenidosCaptulo 1: Introduccin .......................................................................................- 1 -

1.1 Objetivos ............................................................................................................- 1 -1.2 Situacin energtica actual ................................................................................- 2 -

1.2.1. Impacto medioambiental de los vehculos.................................................- 3 -1.3 Situacin tcnica y energtica futura .................................................................- 4 -

1.3.1. Generacin de hidrgeno ...........................................................................- 5 -1.3.2. Almacenamiento de hidrgeno..................................................................- 6 -1.3.3. Transporte del hidrgeno ...........................................................................- 6 -1.3.4. Seguridad en el uso de hidrgeno..............................................................- 7 -

1.4 Iniciativas legislativas........................................................................................- 7 -

Captulo 2: Conceptos bsicos ..............................................................................- 9 -

2.1 Introduccin .......................................................................................................- 9 -2.2 Sistemas de propulsin ....................................................................................- 10 -

2.2.1. La pila de combustible.............................................................................- 10 -2.2.2. La batera .................................................................................................- 15 -

Captulo 3: Estado del arte .................................................................................- 21 -

3.1 Introduccin .....................................................................................................- 21 -3.2 Modelado de la batera.....................................................................................- 22 -3.3 Modelado de la pila de combustible ................................................................- 25 -3.4 Plataforma de ensayo.......................................................................................- 27 -

Captulo 4: Modelado de la batera....................................................................- 29 -

4.1 Introduccin .....................................................................................................- 29 -4.2 Caractersticas de la batera a ensayo ..............................................................- 30 -4.3 Ecuaciones que gobiernan el funcionamiento de las bateras..........................- 30 -

4.3.1. Modelo elctrico ......................................................................................- 30 -4.3.2. Clculo del estado de carga .....................................................................- 34 -4.4. Mtodos de obtencin de los parmetros R y C del modelo ..........................- 36 -

4.4.1. Interrupcin de corriente..........................................................................- 36 -4.4.2. Espectroscopia de la impedancia (Electrical impedance spectroscopy,EIS) ....................................................................................................................- 37 -

4.4.2.1.Procedimiento experimental.............................................................- 37 -4.4.2.2.Resultados .........................................................................................- 39 -

4.5. Mtodos de obtencin deE0 ...........................................................................- 49 -4.5.1. Experimentalmente en funcin del SoC...................................................- 49 -


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4.5.2. A partir de la concentracin de cido ......................................................- 52 -4.6. Simulacin del modelo ...................................................................................- 52 -

Captulo 5: Modelado de la pila de combustible...............................................- 61 -

5.1 Introduccin .....................................................................................................- 61 -5.2 Caractersticas de la pila de combustible a ensayo..........................................- 62 -5.3 Ecuaciones que gobiernan el funcionamiento de la pila..................................- 62 -

5.3.1. Modelo elctrico ......................................................................................- 62 -5.3.2. Modelo termodinmico............................................................................- 66 -5.3.3. Produccin de agua ..................................................................................- 67 -5.3.4. Utilizacin de reactivos ...........................................................................- 67 -

5.4. Mtodos de obtencin de los parmetros del modelo.....................................- 68 -5.4.1. Interrupcin de corriente..........................................................................- 68 -

5.4.1.1.Procedimiento experimental.............................................................- 70 -5.4.1.2.Resultados .........................................................................................- 71 -

Captulo 6: Plataforma de ensayo HIL para el sistema pila de combustible

batera ...................................................................................................................- 75 -

6.1 Introduccin .....................................................................................................- 75 -6.2. Hardware in the loop.......................................................................................- 76 -6.3. Sistema HIL desarrollado ...............................................................................- 77 -

6.3.1. Simulador de la pila de combustible........................................................- 78 -6.3.2. Simulador de la dinmica vehicular y motor elctrico ............................- 79 -

6.3.3. Montaje experimental ..............................................................................- 81 -6.3.4. Resultados ................................................................................................- 81 -

Conclusiones .........................................................................................................- 85 -

Desarrollos futuros ..............................................................................................- 87 -

Bibliografa ...........................................................................................................- 89 -


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ndice de figurasFigura 1.1: Curva de Hubbert de produccin de petrleo........................................- 2 -Figura 1.2: Consumo energtico por sectores en Espaa (2005).............................- 3 -Figura 1.3: Evolucin de las emisiones debidas al transporte en Espaa................- 4 -

Figura 2.1: Cadena de traccin ..............................................................................- 10 -Figura 2.2: Estructura de una pila de combustible.................................................- 11 -Figura 2.3: Funcionamiento de la pila de combustible ..........................................- 13 -Figura 2.4: Curva caracterstica de la PEMFC ......................................................- 14 -Figura 2.5: Curva caracterstica de PEMFC ..........................................................- 15 -Figura 2.6: Estructura de una batera .....................................................................- 16 -Figura 2.7: Seccin de una vlvula ........................................................................- 17 -Figura 2.8: Funcionamiento de la batera durante la descarga ..............................- 17 -Figura 2.9: Curva caracterstica .............................................................................- 18 -Figura 2.10: Tipos de carga de una batera ............................................................- 20 -

Figura 3.1: Circuito equivalente desarrollado por Salameh ..................................- 23 -

Figura 3.2: Circuito equivalente desarrollado por Karden ....................................- 23 -Figura 3.3: Coup de fouet de la tensin.................................................................- 25 -Figura 3.4: Circuito equivalente segn Choi .........................................................- 25 -Figura 3.5: Circuito equivalente segn Yu-Yuvarajan..........................................- 26 -Figura 3.6: Circuito equivalente segn Pathapati ..................................................- 26 -

Figura 4.1: Curva de Tafel .....................................................................................- 32 -Figura 4.2: Circuito equivalente de la batera ........................................................- 33 -Figura 4.3: Condensador de doble capa .................................................................- 34 -Figura 4.4: Relacin entre el SoCy OCV..............................................................- 35 -Figura 4.5: Rendimiento de carga de la batera .....................................................- 36 -

Figura 4.6: Esquema conexin de equipos para a) descarga b) carga ...................- 39 -Figura 4.7: Fotografa del ensayo de espectroscopia.............................................- 39 -Figura 4.8: Diagrama de Nyquist para carga al 40% del SoC...............................- 40 -Figura 4.9: Frecuencias significativas ...................................................................- 41 -Figura 4.10: Evolucin de la frecuencia de resonancia con el SoC.......................- 42 -Figura 4.11: Evolucin de la frecuencia de corte con el SoC................................- 42 -Figura 4.12: Diagramas de Bode para la carga al 40% de SoC.............................- 43 -Figura 4.13: Circuito equivalente obtenido mediante ZView................................- 44 -Figura 4.14: Resultados paraR2 con Statgraphics .................................................- 45 -Figura 4.15: Diagrama de Nyquist para la descarga al 70% SoC..........................- 46 -


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Figura 4.16: Diagramas de Bode para la descarga al 70% SoC.............................- 47 -Figura 4.17: Circuito equivalente para descarga a 5A al 70% del SoC.................- 47 -

Figura 4.18: Resultados para R2 en descarga con Statgraphics ............................- 48 -Figura 4.19: Curva de histresis deE0 ...................................................................- 51 -Figura 4.20: Modelo de la batera y SoC en Simulink...........................................- 53 -Figura 4.21: Detalle del clculo de SoC ................................................................- 53 -Figura 4.22: Detalle de clculo de la tensin de la batera ....................................- 54 -Figura 4.23: Detalle de clculo de cada de tensin en la red R1C1 .....................- 54 -Figura 4.24: Corriente y tensin de la batera modelada .......................................- 55 -Figura 4.25: SoCdurante la simulacin .................................................................- 56 -Figura 4.26: Tensin a circuito abierto ..................................................................- 56 -Figura 4.27: Cadas de tensin en la batera ..........................................................- 57 -Figura 4.28: Corriente y tensin de carga..............................................................- 58 -Figura 4.29: Tensin interna de la batera .............................................................- 59 -Figura 4.30: Cadas de tensin...............................................................................- 60 -

Figura 5.2: Circuito equivalente de la pila de combustible ...................................- 65 -Figura 5.3: Curva caracterstica de una pila de combustible tipo PEM.................- 68 -Figura 5.4: Evolucin de tensin y corriente durante el ensayo de interrupcin decorriente .................................................................................................................- 69 -Figura 5.5: Montaje experimental..........................................................................- 71 -Figura 5.6: Fotografa del montaje experimental...................................................- 71 -Figura 5.7: Curvas caractersticas de la pila de combustible.................................- 72 -

Figura 5.8: Evolucin de tensin y corriente para interrupcin a 12 A.................- 72 -Figura 5.9: Evolucin de los parmetros ...............................................................- 73 -Figura 5.10: Evolucin del condensador ...............................................................- 74 -

Figura 6.1: Sistema de traccin de un vehculo .....................................................- 77 -Figura 6.2: Elementos hardware y software de la plataforma de ensayo ..............- 77 -Figura 6.3: Simulador de la pila de combustible ...................................................- 78 -Figura 6.4: Ciclo de conduccin............................................................................- 80 -Figura 6.5: Ciclo de potencia solicitado por el vehculo .......................................- 81 -Figura 6.6: Montaje experimental..........................................................................- 81 -Figura 6.7: Resultados caso 1 ................................................................................- 82 -

Figura 6.8: Resultados caso 2 ................................................................................- 84 -


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ndice de tablasTabla 4.I: Caractersticas de la batera Orbital de Tudor-Exide ............................- 30 -Tabla 4.II: Procedimiento de ensayo para calcularE0 descarga............................- 50 -Tabla 4.III: Procedimiento ensayo clculoE0 carga..............................................- 51 -

Tabla 5.I: Caractersticas de la pila de combustible ..............................................- 62 -

Tabla 6.I: Parmetros del vehculo, motor elctrico y transmisin .......................- 79 -


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Captulo 1Introduccin

1.1 Objetivos

El objetivo de este trabajo de master es realizar el modelado, simulacin ydesarrollo de una plataforma de ensayos de un sistema de propulsin hbrido,formado por una pila de combustible tipo PEM (pila de combustible de intercambio

protnico, por sus siglas en ingls) y bateras de plomo-cido.

Para ello, se realizarn ensayos de espectroscopa de la impedancia sobre las

bateras y ensayos de interrupcin de corriente sobre la pila de combustible, con elobjetivo de obtener un modelo elctrico detallado y preciso de ambos elementos.Obtenido el modelo, se procede a su validacin y simulacin en Matlab/Simulink. A

partir del modelo realizado de la pila de combustible se desarrolla en el laboratoriouna plataforma de ensayo de sistemas hbridos HIL (hardware in the loop), con la

batera real y la pila de combustible simulada a travs del modelo elctrico y unafuente de tensin programable.


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Captulo 1 Introduccin

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El inters de este trabajo radica en el inters por el desarrollo de vehculos

hbridos de traccin elctrica. A travs de la plataforma HIL, es posible el ensayo delos sistemas de propulsin de los vehculos hbridos de forma sencilla. Al no estar

presente la pila de combustible, la implantacin de la plataforma de ensayo essencilla, segura al no haber presencia de hidrgeno y menos costosa al no tener queincurrir en el coste de la pila de combustible, el hidrgeno y la adecuacin dellaboratorio para el uso de hidrgeno. Adems, aumenta la flexibilidad del conjunto al

permitir simular un amplio abanico de tipos de pila de combustible y potencias.Tambin resulta de inters que esta plataforma de ensayo puede ser de utilidad tantoen aplicaciones estacionarias como en las relativas al transporte.

1.2 Situacin energtica actualLa situacin energtica, tanto mundial como nacional, est condicionada por el

gradual consumo de las reservas de carburantes fsiles, la creciente concienciacinmedioambiental y la situacin geopoltica.

En la Figura1.1 se puede observar la evolucin de extraccin de petrleo anual.El mximo se obtiene en el ao 2010, reducindose a partir de entonces la produccinde petrleo. El ritmo de reduccin de la produccin depender de la tecnologaexistente de extraccin y las reservas disponibles.

Figura 1.1: Curva de Hubbert de produccin de petrleoFuente: ASPO (Asociacin para el Estudio del Cenit del Petrleo y el Gas)

El consumo de reservas de petrleo est ligado a la situacin geopoltica, ya queson los pases de Oriente Medio los depositarios de la mayor parte de las reservas(64%). La situacin poltica en estos pases es inestable, creando incertidumbre en lacontinuidad de suministro e inestabilidad en el precio del petrleo. En el caso

particular de Europa, el porcentaje de reservas es del 9%, lo que hace que seadependiente de otros pases. Uno de los pases de suministro es Rusia, que est


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aumentando su influencia sobre yacimientos en Turkmenistn y Kazajstn, rutas de

acceso a travs de Ucrania e Irn, con vistas a controlar el mercado de combustiblesfsiles europeo [1].

Esta coyuntura energtica afecta especialmente al sector transportes, que es elmayor consumidor de energa, con un 41%, por delante de otros sectores como laindustria. En la Figura 1.2 se puede observar el desglose de consumo segn el mediode transporte utilizado, quedando de relieve el mayor consumo energtico deltransporte por carretera. En 1990 el consumo del sector transportes era similar al delsector industrial, pero a partir de entonces el aumento del consumo del sectortransporte ha sido superior al del sector industrial.

Figura 1.2: Consumo energtico por sectores en Espaa (2005)Fuente: Fundacin Centro Recursos Navarra

1.2.1.Impacto medioambiental de los vehculos

Como se ha detallado anteriormente, el consumo energtico del sector transportees elevado, siendo los vehculos propulsados por motor trmico una de las

principales fuentes de contaminacin atmosfrica. Las emisiones contaminantes sonCO2, CO, NOx, SO2, O3 y partculas. Estas emisiones son superiores en el transporte

por carretera que en otros modos de transporte, como martimo, areo y ferrocarril.Como ejemplo, en el ao 2005 las emisiones de CO2 procedentes del transporte en su

conjunto fueron de 28.3% [2]. El transporte por carretera represent el 25.2%,mientras que las emisiones del resto de modos de transporte tan solo fueron de 3.1%.En la Figura 1.3 se puede observar la evolucin temporal de los contaminantes. Laemisin de gases de efecto invernadero est aumentando, algo estrechamenterelacionado al aumento del parque automovilstico, mientras que el resto deemisiones estn disminuyendo.

El CO se produce durante la combustin incompleta de carburante y aire. Estacombustin incompleta tiene lugar cuando la atmsfera es pobre en oxgeno o


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cuando el motor est fro. Provoca irritacin en las vas respiratorias y es txico si es

inhalado en altas dosis.

El CO2 es debido a la reaccin de combustin y participa en el efectoinvernadero.

El NOx es producto de las reacciones entre el nitrgeno y el oxgeno presentes enel aire a elevadas temperaturas. Es uno de los responsables de la lluvia cida yfavorece las infecciones pulmonares.

El SO2 procede de la combustin del combustible fsil, participa en la lluviacida y puede provocar enfermedades alrgicas.

Por ltimo, las partculas se emiten durante la combustin incompleta decarburantes, especialmente diesel. Estas partculas pueden servir de vehculo acompuestos orgnicos txicos, como el benceno.

Figura 1.3: Evolucin de las emisiones debidas al transporte en EspaaFuente: Ministerio de Medio Ambiente

Teniendo en cuenta la evolucin de produccin de petrleo, la inestabilidad de suprecio, el consumo energtico del sector transporte y las actuales emisiones de losvehculos propulsados por combustibles fsiles, es necesaria la bsqueda de otro tipode combustibles.

1.3 Situacin tcnica y energtica futura

Vista la necesidad de buscar fuentes alternativas de energa, parece haber unconsenso entre diferentes expertos [3] de que el gas natural ser el combustible

puente hacia otra energa no fsil hasta el ao 2030.


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slidamente establecida, se puede generar hidrgeno de forma centralizada,

simplificando el secuestro del CO2.

1.3.2.Almacenamiento de hidrgeno

Los mtodos de almacenamiento investigados son muy variados, como se muestra acontinuacin[6]:

Almacenamiento subterrneo en acuferos o cavernas.

Presurizado en tanques. Si es para aplicaciones en vehculos los tanquesestn fabricados con un material compuesto ultraligero.

En fase lquida. Se aplica en aquellos casos en los que se necesita unaelevada densidad, como en aplicaciones aeroespaciales. En la actualidadse est empezando a utilizar en vehculos, aunque presenta la

particularidad de que debe ser almacenado a temperaturas criognicas.

En forma de hidruros metlicos. El hidrgeno puede formar hidrurosmetlicos con algunos metales o aleaciones. Durante la formacin delhidruro se dividen las molculas de hidrgeno y los tomos de H2 soninsertados en el entramado metlico. Durante el proceso de almacenaje selibera calor, que debe ser disipado para permitir la continuidad de laoperacin. En cambio, durante el proceso de descarga es necesario elaporte de calor.

Se est investigando el almacenamiento en nanotubos de carbono y enmicro esferas de cristal.

1.3.3.Transporte del hidrgeno

En el caso de una futura economa del hidrgeno, es necesario el transporte delhidrgeno desde los lugares de produccin hasta el consumidor final.

Bossel [7] realiza un estudio de los diferentes modos de transporte. En el caso delhidrgeno, el transporte por carretera no est limitado por el peso, sino por elvolumen. Si el hidrgeno se transporta en estado lquido, el transporte resultara carodebido a que el volumen til es reducido debido al espacio consumido por equiposauxiliares, aislamiento trmico, etc. Si en cambio se transporta en estado gaseoso, la

presin de transporte sera de 200 bar. Pero debido a la baja densidad del hidrgeno,el elevado peso de las botellas o tanque a presin y los sistemas de seguridad haceque el transporte en estado gaseoso sea econmicamente menos rentable que eltransporte de gasolina. Adems, la transferencia del hidrgeno gaseoso al tanque dela estacin de servicio consume ms tiempo que la transferencia de gasolina lquida.


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Tambin es posible el transporte de hidrgeno en estado gaseoso a travs detuberas, de forma similar al transporte de gas natural. Pero no es posible utilizar lainfraestructura disponible de gas debido al peligro de fugas. Segn Bossel [7] laenerga necesaria para transportar el hidrgeno es entre tres y cuatro veces superior ala necesaria para el transporte de gas natural.

1.3.4.Seguridad en el uso de hidrgeno

El sistema de hidrgeno debe estar concebido para usuarios no tcnicos, paragarantizar su seguridad. El principal inconveniente es el riesgo de fuga, posibledebido al pequeo tamao molecular del hidrgeno, que lo permite filtrarse a travs

de poros o juntas [6]. Por ello, los tanques de almacenamiento, juntas y tuberas porlos que discurre el hidrgeno deben cumplir estrictas medidas de seguridad. Si lafuga se produce a cielo abierto el riesgo de explosin es menor debido a que elhidrgeno se dispersa rpidamente y no alcanza la proporcin estequiomtricanecesaria para deflagrar. Si la fuga se produce en un recinto cerrado el riesgo essensiblemente mayor. La velocidad de llama del hidrgeno es alta, lo que hace quesu riesgo de explosin sea ms elevada que otros combustibles cuando se encuentraen elevada concentracin en el aire. Adems, la llama es poco visible y emite menosradiacin que una llama generada por gasolina [5].

Pero tambin presenta mejoras en otros aspectos. Para comenzar sus gases no sontxicos, como sucede con el resto de combustibles. Adems, tiene una energa deencendido menor y en caso de explosin su energa de explosin por unidad deenerga almacenada es la ms baja de todos los combustibles. Por ltimo, si se

produce un fuga de gasolina, se acumula en el suelo y llegado el caso puedo arder,poniendo en peligro la vida de personas. En cambio, el hidrgeno tiende a ascenderdebido a su menor densidad.

1.4 Iniciativas legislativas

Para la creacin de una economa del hidrgeno, es necesario el impulso de los

gobiernos a travs de la legislacin. Las iniciativas desarrolladas a nivel europeo sedetallan a continuacin:

Libro Verde: Hacia una tarificacin equitativa y eficaz del transporte(1995): [8]El objetivo es estimular la modificacin de hbitos de usuarios yfabricantes, con el fin de reducir los efectos secundarios negativos deltransporte. Se busca obtenerlo a travs de la internalizacin de los costes deltransporte, de forma que cada usuario soporte los gastos de sudesplazamiento. La Comisin Europea propone incluir un canon de medioambiente en el impuesto anual sobre los vehculos, impuestos dependientes


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de la calidad del carburante, fiscalidad favorable en caso de uso de gasleo e

impuesto kilomtrico y de peaje en funcin de los efectos del vehculo sobreel medio ambiente. En este Libro Verde no se especifica fecha de entrada envigor ni plazo de aplicacin.

Libro Blanco: La poltica europea de transportes de cara al 2010 (2001):[9] Este libro busca definir las lneas de la poltica europea de cara al ao2010. El objetivo es mejorar la calidad del sector transporte por carretera, yaque las previsiones para el 2010 es de un aumento del 50% en el transporte demercancas. Adems proponen implantar cnones en funcin delcomportamiento medioambiental del vehculo, el tipo de infraestructurautilizado, la distancia recorrida, el peso y el nivel de congestin.

Directiva 70/220/EEC: [10] Segn esta directiva y sus posterioresmodificaciones (Euro 1, 2, 3, 4 y 5), los vehculos nuevos vendidos en Europadeben cumplir una serie de requisitos sobre los lmites de emisin desustancias contaminantes. Los lmites de emisin se definen por tipo decombustible (gasolina o gasleo) y tipo de vehculo (turismos, vehculoscomerciales ligeros y vehculos pesados). Por ejemplo, el Euro 5 (2008/09)

persigue una reduccin del 80% en partculas en turismos de gasleo, de 25mg/km a 5 mg/km.

A nivel nacional se incluye, entre otros objetivos, el inters por la reduccin deemisiones en el Plan Estratgico de Infraestructuras y Transporte (2004), Plan deEnergas Renovables (2005-2010) y en el Plan de Accin 2005-2007.

Real Decreto 837/2002: [11] En este decreto se regula la informacinrelativa al consumo de combustibles y a las emisiones de CO2 de los turismosnuevos. Para ello es de obligatorio cumplimiento la colocacin de unaetiqueta informativa en cada vehculo. Adems el Instituto para laDiversificacin y Ahorro de la Energa (IDAE) elaborar anualmente unagua de consumos y emisiones de CO2.

Todo lo anteriormente expuesto tiene como uno de sus objetivos cumplir con el

Protocolo de Kyoto [12] firmado en 1997 en Japn. En l los pases industrializadosse comprometen a llevar a cabo una serie de medidas para reducir las emisiones degases de efecto invernadero. El protocolo entr en vigor tras la firma de Rusia en2005 y en l la Unin Europea se comprometi a reducir sus emisiones un 8%respecto a las de 1990. Espaa en particular se comprometi a aumentar susemisiones un mximo del 15%. La diferencia en las emisiones mximas admisibles

por cada pas ha provocado la generacin de un mercado de emisiones, que entr enfuncionamiento en 2005.


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Captulo 2Conceptos bsicos

2.1 Introduccin

En el captulo anterior se han expuesto las razones que justifican el inters en eldesarrollo de nuevos vectores energticos, especialmente en el sector transporte. Porlo que en este captulo se estudiar la aplicacin de sistemas alternativos de energaen vehculos, las diferentes configuraciones desarrolladas y se establecer el estadodel arte del modelado, simulacin y desarrollo de una plataforma de ensayo desistemas hbridos.

El trabajo desarrollado en esta tesis de master se centra en una cadena de traccinformada por una pila de combustible como sistema principal y un conjunto de

bateras como sistema secundario de propulsin. En la Figura 2.1 se puede observaresta configuracin, en la que la conexin mecnica se realiza a travs de un motorelctrico y es nica para los dos sistemas de propulsin. Tal y como se refleja en estafigura, los dos sistemas de propulsin pueden alimentar simultneamente al motorelctrico o de forma independiente. Adems, en el caso de que el sistema de


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Captulo 2 Conceptos bsicos

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propulsin secundario necesite una recarga, como en el caso de las bateras, se puede

realizar a partir del sistema de propulsin principal.

Figura 2.1: Cadena de traccin

2.2 Sistemas de propulsin

Los sistemas de propulsin que se pueden utilizar en los vehculos hbridos

elctricos son variados. El motor trmico y la pila de combustible son elementosutilizados como sistema de propulsin principal, mientras que sistemas dealmacenamiento de energa, como bateras o supercondensadores son utilizados comosistema de propulsin secundario [13]. Las bateras no suelen aplicarse comoexclusivo sistema de propulsin principal debido al excesivo peso al que estarasometido el vehculo, al igual que la pila de combustible tampoco se suele utilizarcomo nico sistema de energa debido a su peor respuesta frente a transitorios. Porello, con la combinacin de ambos sistemas mejora funcionamiento global al suplircada sistema las limitaciones del otro. Por lo tanto, los sistemas de propulsinutilizados en esta tesis de Master son pilas de combustible y bateras.

2.2.1.La pila de combustible

La pila de combustible fue inventada por William Grove en 1839, cuando intentobtener electricidad a partir de hidrgeno y oxgeno. Utiliz dos tiras de platino endos botellas separadas, una conteniendo hidrgeno y la otra oxgeno. Al sumergirlasen una disolucin de cido sulfrico la corriente circula entre los dos electrodos y seforma agua. Grove no fue quien las denomin pilas de combustible, sino que lohicieron los qumicos Mons y Langer en 1889. Francis Bacon implement mejoras yconsigui desarrollar un ejemplar que funcionara en 1959. Alrededor de 1960 la Nasademostr inters en las pilas de combustibles despus de desechar las bateras debido

Camino elctricoCamino mecnicoFlujo de potencia


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al excesivo peso que representaban. Durante los aos 70 se desarroll la tecnologa de

pilas de combustible para aplicaciones terrestres y no fue hasta 1980 que empez ainvestigar en aplicaciones vehiculares. El primer vehculo propulsado por pilas decombustible lo desarroll Ballard en 1993. [14]

La estructura bsica de una pila de combustible PEM es la que se muestra en laFigura 2.2 y se detalla a continuacin [6]:

Figura 2.2: Estructura de una pila de combustibleFuente: Barbir, Frano. PEM Fuel Cells, Theory and Practice. Elsevier Academic Press

La pila de combustible est formada por nodo y ctodo. Puesto que la tensinpor celda es baja, 0.7V es recomendable asociarlas en serie, lo que se consigueutilizando placas bipolares que tienen en un lado de la placa el nodo y en el otro elctodo, consiguiendo una estructura ms compacta y con mejor contacto elctrico.Adems de conductoras elctricas, tambin deben serlo trmicas para participar endisipacin de calor. Estas lminas deben ser impermeables a gases ya que separa losgases de las celdas adyacentes. Por ltimo, aportan rigidez y resistencia mecnica alconjunto de la pila de combustible

Los canales son los que distribuyen el gas. El canal del lado del nodo transportahidrgeno, mientras que el del lado del ctodo distribuye oxgeno. Aunque en teoraen los canales slo debe haber gas, hay presencia de agua. Por ello, la seccin delcanal debe ser rectangular para impedir la formacin de una pelcula de agua en la

base del canal. La geometra de los canales, con aristas, rompe la pelcula de aguapara favorecer la formacin de gotas.


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Entre los electrodos y la membrana se encuentra el catalizador, que es una

delgada lmina basada en platino, nquel o perovskita dependiendo del tipo de pila decombustible, que es necesaria para que se produzcan las reacciones electroqumicas.

El catalizador situado entre nodo y electrolito tiene como funcin separar lostomos de hidrgeno en protones que se dirigen a la membrana y electrones querecorren el circuito elctrico. El catalizador situado entre la membrana y el ctodocombina los protones H+ provenientes del electrolito con el oxgeno del ctodo y loselectrones del circuito elctrico para formar agua. Lo relevante en el catalizador es lasuperficie, no su espesor ni peso, por lo que es recomendable que sea una lminadelgada, ya que de esta forma se reduce el peso de la pila y sobre todo el precio delcatalizador.

La capa de difusin del gas est situada entre los canales del gas y el catalizador.No participa en las reacciones electroqumicas de la pila, sino que su funcin esdifundir uniformemente el gas de forma que acceda a toda la superficie delcatalizador. Como se puede observar en la Figura 2.2, los canales del gas estnseparados por lo que se denominan costillas. Estas costillas impediran que el gas sedistribuyera uniformemente por la superficie del catalizador si no existiera la capa dedifusin del gas, desaprovechando el catalizador.

La funcin de la membrana es ser el medio que permite el transporte de protonesen la pila. Su composicin es variada, dependiendo del tipo de celda de combustible.Por ejemplo, para pilas de combustible PEMFC (Polymer Electrolyte MembraneFuel Cell) el Nafion es muy utilizado. Consiste en un polmero:

politetrafluoruroetileno (PTFE) sulfonado.

Para el correcto transporte de protones en el caso de PEMFC, la membrana debeestar hidratada. Se puede obtener esta humedad mediante agua lquida o vapor deagua. El transporte de protones que se realiza de nodo a ctodo a travs de lamembrana tiene un efecto electroosmtico: arrastra el agua de nodo a ctodo, lo que

podra secar la membrana del lado del nodo si no fuera porque tambin hay unmovimiento de agua de ctodo a nodo. La membrana tericamente es impermeable

a los reactivos de la pila: hidrgeno y oxgeno para evitar que se mezclen antes detiempo. Pero es inevitable que estos gases estn disueltos en el agua.

Las partes que se acaban de describir de la pila de combustible actan en sufuncionamiento de la siguiente forma, esquematizada en la Figura 2.3.


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Figura 2.3: Funcionamiento de la pila de combustibleFuente:www.fueleconomy.gov

El funcionamiento de la pila comienza con el suministro de hidrgeno y oxgenoa nodo y ctodo respectivamente, atravesando la capa de difusin del gas yalcanzando el catalizador. Es en el catalizador del lado del nodo donde se separanlos tomos de hidrgeno en protones que se dirigen hacia el ctodo atravesando lamembrana y en electrones que circulan por un circuito externo. Cuando los protones

H+

alcanzan el catalizador del lado del ctodo se combinan con el oxgenoproveniente del ctodo y los electrones, formando agua como subproducto. Lasreacciones que tienen lugar en nodo y ctodo son respectivamente:

OHHeO

eHH

22

2

244

442

++

+

+

+

(2.1)

A diferencia de una batera, una pila no necesita ser recargada ya que trabaja deforma continua mientras se suministre al nodo y ctodo los elementos necesarios:hidrgeno y oxgeno respectivamente. El hidrgeno es el combustible que ha de ser

suministrado a la pila, mientras que el oxgeno se toma del aire circundante.

Durante el funcionamiento de la pila de combustible la tensin no se mantieneconstante, sino que vara de forma no lineal. Como se puede observar en la Figura2.4, la curva caracterstica tensin-densidad de corriente es decreciente y consta dezonas lineales y no lineales. La cada de tensin inicial, zona no lineal, es debido alas prdidas de activacin en las reacciones electroqumicas. La regin lineal de lacurva representa las prdidas debido a conduccin inica y se denomina zonahmica. La cada de tensin final, zona no lineal, es debida a prdidas debido altransporte de masa.


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En la Figura 2.4 tambin est representada la curva de la densidad de potencia

frente a la corriente de la pila de combustible. Al aumentar la densidad de corriente,tambin se incrementa la densidad de potencia. La zona habitual de trabajo de las

pilas de combustible es en el entorno del punto mximo de densidad de potencia.

Figura 2.4: Curva caracterstica de la PEMFCFuente: OHayre, Cha, Colella, Prinz, Ed. Wiley.Fuel Cell Fundamentals .John Wiley & Sons

La caracterstica principal de las pilas de combustible PEM, cuya curvacaracterstica se muestra la Figura 2.5 consiste en que la membrana sea un polmerointroduce una limitacin en la temperatura, ya que la membrana se vuelve inestable aelevadas temperaturas. Es precisamente su funcionamiento a bajas temperaturas (65-80C) lo que las hace aptas para el transporte, ya que alcanza la temperatura detrabajo en un tiempo reducido [15].

Adems, la corrosin es mnima ya que el nico lquido presente es el agua. Estoconlleva la necesidad de realizar una buena gestin de la presencia de agua, ya que lamembrana debe mantenerse hidratada, sin inundarse ni secarse.


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Figura 2.5: Curva caracterstica de PEMFCFuente: Hacker et al. The role of fuel cells as key technology in the transition to clean energy for

transportation

2.2.2.La batera

El concepto sobre el que se basan las bateras fue descubierto por Luigi Galvanien 1780. A partir de una rana y dos metales diferentes, descubri que circulabacorriente por la rana, que cumpla la funcin de electrolito. En 1800 Alessandro Volta

desarroll la idea de Galvani, colocando las bateras en serie para obtener una mayortensin y obteniendo bateras tal y como se conocen en la actualidad. A partir de1836, con la batera Daniell se empez a utilizar las bateras en la industria y comofuente de energa para el telgrafo.

La estructura de una pila de combustible es la que se muestra en la Figura 2.6 yque se detalla a continuacin.

Las lminas bipolares estn formadas por un nodo y un ctodo. Durante elfuncionamiento de la batera se producen reacciones electroqumicas diferentes encada uno de los electrodos. La estructura ms compacta y con mejor contacto

elctrico se obtiene mediante las lminas bipolares.


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Figura 2.6: Estructura de una bateraFuente: www.mecanicavirtual.org

El electrolito se encuentra situado entre los dos electrodos y su funcin es eltransporte de iones de un electrodo a otro. Los tipos de electrolito son variados,desde soluciones acuosas hasta geles. La disolucin acuosa tiene una aplicacinreducida o inexistente en el caso de vehculos hbridos, siendo las bateras VRLA(Valve Regulated Lead Acid) o AGM (Absorbed Glass Matt) las ms utilizadas. Enambos casos el objetivo es evitar la prdida de electrolito, que afectaranegativamente al funcionamiento de la batera. Las bateras AGM presentan una

matriz de fibra muy porosa que contiene al electrolito y que evita el cortocircuitoentre electrodos. La vlvula, que se representa en la Figura 2.7, puede estar fabricadade neopreno y es unidireccional. Su funcin es aliviar la presin en el interior de la

batera cuando se forman gases durante la carga de la batera, especialmente cuandoel estado de carga es elevado.


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Figura 2.7: Seccin de una vlvulaFuente: Panasonic VRLA Batteries, 2005

Los pasos que se siguen en el funcionamiento de la batera se muestran en laFigura 2.8. Se ha representado el funcionamiento durante el proceso de descarga, enel que el transporte de cationes es de nodo a ctodo, el transporte de aniones es dectodo a nodo y la circulacin de electrones es de nodo a ctodo. En el proceso decarga las reacciones se invierten, y por tanto tambin el transporte de iones: loscationes van de ctodo a nodo, los aniones de nodo a ctodo y los electrones dectodo a nodo.

Figura 2.8: Funcionamiento de la batera durante la descarga

Durante el funcionamiento de una batera, si por ejemplo el proceso de carga semantiene durante el tiempo suficiente, la batera agota las especies necesarias para sufuncionamiento. En ese momento es necesario proceder a la carga de la baterainvirtiendo las reacciones.


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Las reacciones que tienen lugar en nodo y ctodo de una batera de plomo-cido

son respectivamente:

OHPbHePbO

ePbPb

22

2

2

242

2

+++

+

++

+

(2.2)

Como se puede observar en la Figura 2.9, al igual que con las pilas decombustible, la curva caracterstica tensin-corriente es decreciente y consta dezonas lineales y no lineales. La cada de tensin inicial, zona no lineal, es debida alas prdidas por activacin, mientras que la regin lineal de la curva representa las

prdidas debido a conduccin inica y se denomina zona hmica. La cada de tensin

final, zona no lineal, es debida a prdidas debido al transporte de masa.

Figura 2.9: Curva caractersticaFuente: National Semiconductor, Characteristics of Rechargeable Batteries

A diferencia de las pilas de combustible, las bateras tienen unos parmetrospropios, que se explican a continuacin.

Tensin a circuito abierto: se mide con la batera en reposo y en circuito abierto.El conocimiento de esta tensin permite conocer el estado de carga de la batera si lamedida se realiza despus de un tiempo de reposo adecuado que permita la

homogeneizacin del electrolito, ya que es prcticamente lineal con el estado decarga.

Capacidad: se suele representar con la letra Cy sus unidades son amperios hora(Ah). Indica la cantidad de corriente que una batera puede suministrar en unadescarga del tiempo especificado.

Estado de carga SoC (State of Charge): es la capacidad disponible de la bateraexpresada como un porcentaje de su capacidad nominal cuando est salida de fbrica.El SoCdisminuye con el envejecimiento, la temperatura y el ritmo de descarga. En


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los vehculos hbridos se intenta mantener el SoCde la batera est en un intervalo de

40 al 60%, por lo tanto trabaja con estados de carga parciales,PSoC.

Corriente mxima de descarga: Es la corriente mxima a la que es posibledescargar la batera. Para calcularla ha de tenerse en cuenta las corrientes de cada unade las celdas. La mxima corriente de descarga de la batera ser la mnima de entrelas mximas corrientes de descarga de una de las celdas, ya que no deben superarselos lmites en ninguna celda. La corriente de descarga tambin se puede expresar enfuncin de la capacidad, por ejemplo, para una batera de C=50 Ah, un ritmo dedescarga de 1C significa que la batera se descarga con una corriente de 50 A duranteuna hora.

Estado de salud (SoH): es la capacidad de la celda para almacenar energa,entregar y suministrar elevadas corrientes y almacenar la carga durante largos

periodos de tiempo, relativo a su capacidad nominal. El SoHtiende a deteriorarse conel tiempo debido a cambios fsicos y qumicos irreversibles, como la degradacin dematerial activo debido a la prdida de rea en el electrodo por sucesivas disolucionesy sulfataciones. La finalidad del clculo del SoH es tener un indicador delfuncionamiento futuro de la batera. Adems, tambin indica el tiempo de vida que seha consumido y el tiempo que le resta para su sustitucin por otra nueva batera.

Estado de funcionamiento (SoF): es la capacidad de la batera para llevar a cabodeterminadas partes del ciclo de trabajo.

Profundidad de descarga (DoD): es la cantidad de energa que se puede extraer deuna batera. Se suele expresar como un porcentaje de la capacidad total de la batera.

Al realizar las bateras ciclos de carga/descarga y teniendo en cuenta su naturalezaelectroqumica, estn sujetas a sufrir distintos fenmenos perjudiciales para sufuncionamiento.

Uno de estos fenmenos es la sobrecarga, que se define como la corriente decarga que no se invierte en transformar activos. Se produce cuando los amperios hora

(Ah) suministrados a la batera alcanzan el 90% de la capacidad, y durante todo eltiempo que a partir de entonces se prolongue la carga. Los efectos negativos queprovoca son corrosin en los electrodos (disminuyendo la seccin eficaz delelectrodo), generacin de gases (provoca la descomposicin electroltica del agua) yembalamiento (al aumentar la corriente, aumenta la temperatura, que reduce laresistencia interna, aumentado la corriente).

Otro de las situaciones a las que estn sujetas es la autodescarga, que consiste enla prdida de caractersticas de la batera cuando se encuentra en circuito abierto(fuera de uso o almacenada). Las causas que afectan a la autodescarga son: el diseo


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de la celda, el sistema electroqumico, la temperatura (a mayor temperatura, mayor

autodescarga), el tiempo de almacenamiento y las impurezas.

Los dos fenmenos anteriores estn ms o menos presentes en otras tecnologasde bateras, pero un fenmeno especfico de las bateras de plomo cido es la cargasuperficial. Esta carga superficial es debida a que las reacciones que producen oalmacenan energa tienen lugar en la interfaz entre el electrodo y el electrolito. Porello, durante la carga, la carga se acumula en la superficie de los electrodos y debedifundir dentro de ellos, pero este proceso de difusin es lento.

Al realizar la batera ciclos de carga/descarga, puede ver reducida la capacidadque entrega si se han realizado descargas parciales durante un largo tiempo. El efecto

memoria est producido por la creacin de cristales cuando la batera se recarga abaja corriente y por la presencia de impurezas en el electrodo negativo.

Por ello, es importante realizar una carga adecuada de las bateras. Se puedencargar de diferentes formas: a tensin constante, a corriente constante o con unsistema de regulacin automtica. En la Figura 2.10 se muestra la evolucin decorriente y tensin para cada tipo.

En la carga a tensin constante la tensin se mantiene constante, lo que implicaun elevado nivel de corriente al comienzo de la carga. La corriente va disminuyendoa medida que se alcanza el nivel mximo de carga. Si la tensin de carga es elevada,tambin lo ser el nivel de corriente inicial, aumentando las prdidas por efecto Jouley reduciendo la vida de la batera.

En la carga a corriente constante el sistema de control de este tipo de carga es mssencillo que en el caso de carga a tensin constante. Al ser la corriente constante, latensin ir disminuyendo a lo largo de la carga.

Tambin hay sistemas de carga que combinan los dos mtodos anteriores. Uno delos ms extendidos es cargar a corriente constante hasta alcanzar la tensin degasificacin. A partir de ese momento la carga pasa a ser a tensin constante.

Figura 2.10: Tipos de carga de una batera


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Captulo 3Estado del arte

3.1 Introduccin

El modelado de la pila de combustible es necesario para el estudio de suinteraccin con la batera, optimizacin, control, etc. Como se ha presentado en elcaptulo de estado del arte, el modelado se puede realizar bajo distintas pticasdebido a su carcter multidisciplinar. A pesar de ser un sistema electroqumico, debeinteractuar con equipos elctricos, por lo que resulta interesante obtener un modeloque represente los fenmenos elctricos presentes en la pila de combustible y cuyasvariables de entrada y salida sean compatibles con elementos elctricos yelectrnicos.


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Captulo 3 Estado del arte

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3.2 Modelado de la batera

Para la revisin del estado del arte en el modelado de la batera, la bsqueda se hacentrado en bateras de tecnologa plomo-cido, La justificacin de esta eleccin est

basada en diversos factores. En primer lugar es la tecnologa ms madura, siendo elmodelo que se utiliza (Maxxima de Exide-Tudor 12 V) una batera con caractersticas

particularmente deseables en la aplicacin que se desarrolla, al ser capaz desuministrar puntas de corriente muy elevadas (hasta 1000 A). Adems de que el costeasociado a la adquisicin de estas bateras es menor comparado a otras tecnologascomo el nquel o el litio, siendo las conclusiones extensibles al resto de tecnologas.

Las bateras son elementos electroqumicos, por lo que su modelado puede ser

desarrollado desde este punto de vista, tal y como lo hace Karden [16]. Kardendesarrolla un modelo unidimensional de la batera a partir de cinco ecuacionesdiferenciales que representan el transporte de carga en el electrolito, en los electrodos,cintica de las reacciones de carga/descarga, transporte en el electrolito y cambiosestructurales de los electrodos porosos. El inconveniente de este modelado es sucarcter excesivamente electroqumico.

Pero el modelado de bateras tambin se puede enfocar desde otros puntos devista, como el elctrico, lo que resulta ms interesante debido a que permite lainteraccin del modelo de la batera con el resto de elementos de la simulacin, como

puede ser otros sistemas de almacenamiento de energa. Entre los que desarrollan

modelos elctricos se encuentran Thele, Salameh, Huet, Van Mierlo, etc., cuyosmodelos se detallan a continuacin.

Salameh [17] presenta un modelo elctrico que representa a la batera a travs deelementos activos (fuente de tensin) y pasivos (resistencias y condensadores). Comose puede observar en la Figura 3.1. Cada uno de los elementos del modelo quedesarrolla describe los fenmenos que ocurren en la batera. Como ejemplo, la batera

presenta una resistencia diferente dependiendo de si el proceso es de carga o dedescarga. Este hecho queda reflejado en el modelo a travs de dos resistenciasdiferentes con diodo situadas en paralelo: una para el proceso de carga y otro para elde descarga. Es un modelo bastante extendido, que presenta la ventaja de basarse enun enfoque elctrico y presentar elementos de carga y descarga y tiene en cuenta laautodescarga. Pero presenta varios inconvenientes relevantes, como que considera elvalor de las resistencias y condensadores constantes (no lo son) y no especifica unafuente de tensin interna variable para reflejar la tensin interna de la batera, que esun elemento muy influyente del modelo.


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Figura 3.1: Circuito equivalente desarrollado por Salameh

Otros autores, como Karden [18], se decantan por un modelo en el dominio de lafrecuencia. Para obtener el modelo Karden realiza ensayos de espectroscopia de laimpedancia. Este modelo es ms preciso que los anteriores debido a que laespectroscopa permite un modelado en frecuencia y bajo diferentes condiciones deoperacin. Adems, realiza los ensayos en un intervalo de frecuencias amplio, de 35Hz a 6 kHz. Calcula los parmetros del circuito equivalente de la Figura 3.2 de la

batera para micro ciclos, con el objetivo de reducir la influencia de la difusin delelectrolito y obtener informacin ms realista en los ciclos parciales de la batera.Realizar la espectroscopa en micro ciclos presenta el inconveniente que el modelodesarrollado no es preciso cuando el proceso simulado es en rgimen permanente ya

que entonces la difusin en el electrolito es apreciable.

Figura 3.2: Circuito equivalente desarrollado por Karden

Thele [19] presenta un modelo hbrido entre un modelo basado en impedancias y

un modelo del transporte de cido sulfrico a travs del electrolito. El modelo basadoen impedancias se basa en el circuito de Randles, como el de la Figura 3.2 mientrasque el modelo del transporte a travs del electrolito se basa en una ecuacindiferencial de primer orden.

Adems del modelado de la batera, el correcto clculo del estado de carga de labatera resulta fundamental durante el funcionamiento de la batera. Los mtodos paracalcularlo son variados, por ello, a continuacin se dan a conocer los ms relevantes.


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Un artculo de referencia es el de Piller [20], que estudia los diferentes mtodos

de obtencin del estado de carga (SoC). El mtodo ms comn y sencillo es la medidade amperios hora entrantes y salientes de la batera. Para que este mtodo resulteeficaz, la medida de la corriente que circula por la batera debe ser precisa para evitarerrores en el clculo del SoC. Tambin ha de tenerse en cuenta las prdidas, ya que notoda la corriente suministrada a la batera es utilizada para su carga.

+=t

t

perdbat

N

dIIC

SoCSoC

0

)(1

0 (2.1)

siendo CN

la capacidad nominal, Ibat

la corriente que circula por la batera e Iperd

lacorriente de prdidas. Este es un mtodo ampliamente utilizado, por su sencillez,

pero implica conocer la corriente durante todo el ciclo y puesto que se basa en unestado de carga anteriormente calculado puede ir acumulando errores.

Otro de los mtodos es la medida de la tensin de circuito abierto, que es unafuncin de la concentracin de cido en las placas de los electrodos. El SoC eslinealmente dependiente de la tensin de circuito abierto, lo que lo hace un buenindicador. El inconveniente es que para alcanzar la situacin de tensin de circuitoabierto estable, la batera debe estar sin carga durante varias horas, lo que representaun problema para la aplicacin de este mtodo en vehculos.

Otros autores, como Tseng [21] utilizan estimadores adaptativos. Realiza unmodelo matemtico en el que el SoCdepende de la profundidad de descarga (DoD) yde la corriente de la batera. Calcula el SoCa travs del Mtodo de Newton-Raphson,estimando elDoD.

Por ltimo, Delaille [22] calcula el estado de carga de la batera a travs delcoup de fouet (del francs, latigazo), que consiste en una cada de tensin que se

produce al comienzo de la descarga de la batera y que se muestra en la Figura 3.3.Su valor oscila entre 10 y 30mV y su duracin puede llegar a unos minutos. Laamplitud del coup de fouet vara segn el SoC: a mayor SoC, menor coup de

fouet. Pero este mtodo es ms indicado para instalaciones de telecomunicacionesque para vehculos, ya que es necesaria una carga completa de la batera antes de

poder aplicar este mtodo.


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Figura 3.3: Coup de fouet de la tensin

3.3 Modelado de la pila de combustible

Para simular el funcionamiento de la pila de combustible es necesario realizar unmodelo, que puede estar enfocado desde diferentes perspectivas (fluidotrmica,electroqumica, electrnica, termodinmica, etc.). Para conocer el estado del arte eneste tema, se ha consultado el trabajo realizado por otros investigadores.

Como punto de inicio, Runtz [23]ofrece un anlisis de los diferentes modelosdinmicos desarrollados por otros autores, tales como Larminie, Choi y Yu-Yuvarajan.. Los modelos de Larminie [24] y Choi [25] estn basados en elementosRC, siendo ms complejo el de Choi, como se muestra en la Figura 3.4.

Figura 3.4: Circuito equivalente segn Choi

Runtz tambin estudia el modelo desarrollado por Yu-Yuvarajan, que modelan lapila de combustible a partir de transistores, diodos, condensadores y resistencias dela Figura 3.5, no pudiendo reproducir los resultados que publican Yu-Yuvarajan ensu artculo [26]. Este mtodo de reproducir la dinmica de la pila de combustible a


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travs de componentes electrnicos es un enfoque algo forzado y poco adecuado para

el modelado elctrico.

Figura 3.5: Circuito equivalente segn Yu-Yuvarajan

Pathapati [27] desarrolla un modelo dinmico en Matlab/Simulink a partir de uncircuito equivalente, mostrado en la Figura 3.6, formado por una fuente de tensin,resistencias y condensadores. Obtiene la evolucin durante los transitorios debido almodelado del condensador de doble capa y la dinmica del flujo y presin en loscanales de nodo y ctodo.

Figura 3.6: Circuito equivalente segn Pathapati

Pukrushpan [28] presenta un modelo ms completo ya que realiza el modelo de latensin de salida, el flujo por nodo y ctodo y la hidratacin de la membrana. Para

calcular la tensin de salida utiliza ecuaciones tanto empricas como experimentales,mientras que para el clculo del flujo por nodo y ctodo utiliza el Principio deConservacin de la Masa y ecuaciones termodinmicas. Es un modelo ms complejoe interdisciplinar que el resto.

Wang [29] desarrolla un modelo elctrico basado en fuente de tensin variable,resistencias y condensador similar al de Pathapati. Tiene en cuenta el condensador dedoble capa y la evolucin trmica en el interior de la pila de combustible durante sufuncionamiento. Para obtener el modelo trabaja con la ecuacin de conservacin de lamasa, la ecuacin de Nerst y las diferentes cadas de tensin existentes en la pila de


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combustible. El inconveniente de este modelo es la necesidad de datos constructivos

de la pila de combustible, solo al alcance del fabricante.

Wingelaar [30] realiza la caracterizacin de la pila de combustible a partir de dostipos diferentes de ensayo: el ensayo de interrupcin de corriente y la espectroscopiade la impedancia. El mtodo de interrupcin de corriente es sencillo aunque no tan

preciso. El modelo que obtiene a partir de la espectroscopia es sencillo ya quenicamente incluye un condensador en el modelo, mientras que otros autores [25]incluyen ms condensadores, mejorando el modelo. En [31] Yuan hace un anlisis deestas dos tcnicas y las describe en detalle.

3.4 Plataforma de ensayoComo uno de los objetivos de este trabajo es desarrollar una plataforma paraensayar sistemas de traccin hbridas HIL (hardware in the loop) con una pila decombustible simulada y una batera real, a continuacin se comentan los diferentessimuladores de pila de combustible y plataformas de ensayo realizados por otrosautores.

Correa [32] desarrolla un simulador de pila de combustible para aplicaciones engeneracin distribuida. An siendo la aplicacin diferente, la metodologa esinteresante. El simulador est formado por un convertidor controlado por ordenador.Un modelo en Labview define la tensin en bornes de la pila de combustible a travs

de la ecuacin de Nerst y enva esta tensin como referencia al convertidor. Por loque el convertidor trabaja como si estuviese conectado a una pila de combustible.

Acharya [33] propone una simulacin de una pila de combustible con una fuentede tensin programable, un sistema de adquisicin de datos y control y un modelodinmico programado en Labview. Obtiene las ecuaciones del modelo a partir devalores experimentales y desarrolla ecuaciones a partir de ellas, que resuelve a travsdel Mtodo de Newton-Raphson. Pero, aunque interesante, esta simulacin estlimitada por el modelo obtenido, que es el ajuste polinmico de la curva caractersticade la pila de combustible, lo que resulta limitado para simular los transitorios de la

pila.

Ordonez [34] desarrolla un simulador de pila de combustible DMFC (pila decombustible de metanol directo) a partir de un DSP que enva a un convertidorDC/DC la referencia de tensin obtenida por un modelo dinmico simulado de pila decombustible, lo que hace que sea un mtodo especialmente apto para la investigacinde convertidores para pilas de combustible ya que permite su experimentacin sin la

presencia de la pila de combustible. El modelo que utiliza es elctrico y el clculo deparmetros se realiza a travs del ensayo de interrupcin de corriente, que es unmtodo poco preciso debido a la dificultad de procesado de los datos experimentales.


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Schuphach [35] realiza una plataforma de ensayos a partir de un motor de

induccin que acta como carga conectado a travs del eje con el motor a ensayar.Este motor a controlar recibe su alimentacin del sistema a estudiar (pila decombustible, bateras, etc.).

Timmermans [36] desarrolla una plataforma de ensayo en la que simula latransmisin del vehculo con un motor elctrico con su convertidor. De los sistemasde propulsin, el secundario es real, mientras que el primario es simulado. Laconexin mecnica de los sistemas de propulsin con la transmisin se realiza atravs de un motor elctrico y su controlador.


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Captulo 4Modelado de la batera

4.1 Introduccin

En este captulo se presenta el procedimiento de obtencin del modelo de labatera, la validacin del mismo mediante su comparacin con resultados obtenidospor otros autores y la simulacin del modelo en Matlab/Simulink. Como se hacomentado con anterioridad, la batera es un sistema electroqumico, por lo que elmodelado se puede realizar bajo distintas perspectivas. En esta tesis de master seaborda el modelado elctrico de la batera, a travs de un circuito equivalente cuyoselementos representan los fenmenos presentes en la batera. Los parmetros delcircuito equivalente se calculan tras realizar ensayos de espectroscopia sobre la

batera, aunque tambin se presentas otros ensayos a partir de los que se puedencalcular. Todo el trabajo presentado en este captulo se ha realizado sobre una baterade plomo cido, pero la metodologa puede ser aplicada a otras tecnologas de

bateras, como nquel y litio.


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Captulo 4 Modelado de la batera

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4.2 Caractersticas de la batera a ensayo

Las bateras disponibles para la realizacin de esta tesis de master son dosmdulos de bateras de plomo-cido de Tudor-Exide, modelo Maxxima. Suscaractersticas se muestran en la Tabla 4.I.

Tabla 4.I: Caractersticas de la batera Orbital de Tudor-ExideFuente: Tudor-Exide

Longitud 260 mmAnchura 173 mmAltura 207 mmPeso 17.5 kgTensin por mdulo 12 VCapacidad nominal

(C 5 h)

(C 20 h)

45 Ah50 Ah

Nmero de ciclos

2.5 % DoD

17.5 % DoD

>200000>3000

Corriente mxima 1000 A (30 s)

El modelo Maxxima posee una potencia especfica superior a otros modelos deplomo-cido, lo que es debido a varias razones, entre las que se encuentra laconfiguracin cilndrica de las celdas, que mantiene una correcta presin interna en

la batera y evita la deformacin de las celdas durante los procesos decarga/descarga, lo que la hace especialmente apta para suministrar puntas decorriente. Adems, presenta canales de ventilacin entre celdas, evitando elsobrecalentamiento de la batera.

4.3 Ecuaciones que gobiernan el funcionamiento de lasbateras

4.3.1.Modelo elctrico

Al igual que en el caso del modelo de la pila de combustible, el modelodesarrollado es de naturaleza elctrica, formado por componentes resistivos,capacitivos e inductivos. Tambin como en el caso de las pilas de combustible se

produce una conversin de energa qumica en energa elctrica [37].

La diferencia fundamental con las pilas de combustible es la procedencia de losreactivos presentes en la reaccin qumica. Como veamos en el captulo anterior, las

pilas de combustible obtenan los reactivos externamente, de depsitos de hidrgenoy del aire (para el oxgeno). En cambio, en las bateras los reactivos no se obtienendel exterior, sino que estn contenidos en la batera. Por ello, los fenmenos


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Figura 4.2: Circuito equivalente de la batera

El modelo seleccionado est formado por una fuente de tensin cuyo valor es latensin interna de la batera. Los elementos resistivos del modelo representan losfenmenos de activacin, concentracin y resistencia interna de la batera.

La cada de tensin hmica es funcin de la corriente (4.7) y refleja la cada detensin debida a la resistencia por contacto de la batera.

IRV ohmohm = (4.7)

La sobre tensin por activacin (4.8) es funcin de la corriente, el coeficiente de

transferencia y la temperatura y es debida a la lentitud en la cintica de lasreacciones y se produce tanto en el nodo como en el ctodo.

F

RTbi

F

RTaibaVact

3.2);log(

3.2);log( 0

=

=+= (4.8)

Otro fenmeno que debe tenerse en cuenta si se desea obtener un modelodinmico, la carga que se acumula en la separacin entre los electrodos y elelectrolito. La carga se acumula en un rea de pequeo espesor, como se representaen la Figura 4.3, pero considerable longitud (comparado con el espesor), lo que se

puede representar como un condensador cuya capacidad es variable con la corrientey la superficie del condensador.


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Dependiendo de la aplicacin de la batera, puede ser, o no, viable esperar un

intervalo de tiempo (puede llegar a 1 hora) para medir la OCV. En la aplicacin parala que se va a utilizar estas bateras, que ser vehicular, no es viable ya que esnecesario conocer el SoC de la batera en cada instante de tiempo, sin forzar ladetencin del vehculo para llevar a cabo la medida de la OCV.

Cuando forma parte del sistema de propulsin de un vehculo, su nica aplicacinposible es la medida del SoC en el momento de arranque del vehculo, siendonecesario otro mtodo para el clculo del SoC durante el funcionamiento delvehculo.

Para la batera en estudio, esta relacin se muestra en la Figura 4.4, que

corresponde a (4.12).

11,800

12,000

12,200

12,400

12,600

12,800

13,000

13,200

20406080100

State of charge (%)

OCV(V)

Figura 4.4: Relacin entre el SoCy OCV

71.701)(976.60(%) = VOCVSoC (4.12)

El otro mtodo para el clculo del SoC, aplicado durante el funcionamiento delvehculo, es la integracin de la corriente de la batera (4.13).

=

t

tn

tt dttIC

SoCSoC1

1 100)((%)

(4.13)

El clculo se realiza cada cierto intervalo de tiempo, partiendo del valor obtenidoen el intervalo anterior. La ecuacin vara segn el proceso sea de carga o descargadebido al cambio en el signo de la corriente (se adopta el convenio de considerar lacorriente positiva en descarga y negativa en carga) y al cambio en el rendimiento enamperioshora.


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Se incluye un trmino de rendimiento en amperios-hora debido a que no toda la

energa suministrada a la batera se invierte en cargar la batera, ya que tambin seinvierte en irreversibilidades y en gasificacin si, por ejemplo, la batera est siendosobrecargada. Este rendimiento de carga vara segn el estado de carga, siendo mselevado para bajos SoCy menor para elevados SoCs.

El caso ms sencillo es el proceso de descarga, en el que se puede suponer unrendimiento unidad debido a que la batera no presenta oposicin a ser descargada,independientemente de su estado de carga.

Por el contrario, el rendimiento de carga es sensible al estado de carga de labatera. Esto es debido a que la batera solicitar elevadas corrientes de carga durante

bajos SoC, pero ir disminuyendo la corriente solicitada a medida que se incrementeel SoC. Es decir, presenta mayor oposicin a ser cargada al acercarse el SoC al100%. Para las bateras de plomo cido se suele utilizar un perfil lineal a dos tramos

para el rendimiento de carga, tal y como se muestra en Figura 4.5.

Figura 4.5: Rendimiento de carga de la batera

4.4. Mtodos de obtencin de los parmetros R y C delmodelo

4.4.1.Interrupcin de corriente

El ensayo de interrupcin de corriente consiste en interrumpir la corrientebruscamente durante el funcionamiento de la pila de combustible y estudiar eltransitorio de tensin en el instante de la interrupcin de corriente. En el instante enque la corriente se anula, la tensin tiene un primer tramo de la evolucin linealseguida por otro tramo no lineal. El tramo lineal coincide con la cada de tensinhmica y el no lineal con la cada de tensin por activacin. Conociendo el punto deseparacin entre tramos y la corriente es posible obtener la resistencia hmica, laresistencia de activacin y el valor del condensador.


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ste es un mtodo viable para calcular los parmetros del modelo de la batera,

pero presenta alguna limitacin.

La dificultad en realizar un modelo en el dominio del tiempo radica en identificarcorrectamente el punto en el que la evolucin de la tensin deja de ser lineal para

pasar a ser no lineal. Este es un problema que no se presenta con un modelo en eldominio de la frecuencia ya que hay software especfico (ZView) que procesa losdatos experimentales.

Por ello y tras la realizacin del modelo de pila de combustible con este mtodo yobservando que era menos preciso que el de espectroscopia, se decide no realizarensayos de interrupcin a la batera.

4.4.2.Espectroscopia de la impedancia (Electrical impedancespectroscopy, EIS)

La espectroscopia de la impedancia es un mtodo experimental en el dominio dela frecuencia que puede ser utilizado para caracterizar los sistemas electroqumicos,como la batera. Este mtodo consiste en superponer una seal de corriente alterna de

pequea amplitud a la seal de corriente continua de la batera. Si la seal que sesuperpone es de tensin, se llama modo potenciosttico, mientras que si la sealsuperpuesta es de corriente se llama modo galvanosttico. Ya se desarrolle el ensayo

en uno u otro modo, se monitoriza la tensin (en el modo galvanosttico) o corriente(en el modo potenciosttico) resultante, que dividida entre la seal de corrientealterna que se superpone inicialmente, permite calcular la impedancia del sistema

bajo estudio Error! No se encuentra el origen de la referencia..

4.4.2.1.Procedimiento experimentalPara realizar el ensayo, como en el caso de la pila de combustible, se elige el

modo galvanosttico, ya que es ms sencillo controlar la corriente que la tensin enla batera. Los ensayos se realizan durante los ciclos de carga y descarga de la

batera, para obtener el modelo de la batera en las condiciones de operacin reales.

Los ensayos se realizan sobre un mismo mdulo de bateras, debido a que lasdiferencias en la fabricacin pueden influir en el valor de los parmetros.

Para ello, se superpone a la corriente continua (DC) de operacin de la baterauna seal de corriente alterna (AC) de forma que la perturbacin en tensin alternaresultante sea igual o inferior a 10 mV [40], lo que sucede para valores de corrienteAC del 5% de la corriente DC. La seal de corriente alterna que se superpone al nivelde continua es de frecuencia variable, para permitir realizar un barrido en el intervalode frecuencia deseado. La eleccin del intervalo de frecuencia viene condicionada

por los fenmenos que se quieran reflejar con el modelo y el tiempo de ensayo.


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Los fenmenos reflejados en la espectroscopia de la impedancia son el transporte

de masa, el transporte de carga, el condensador de doble capa y la inductancia. Ellmite inferior de la frecuencia viene determinado por el transporte de masa, que semanifiesta entre los Hz y los mHz o Hz, mientras que el lmite superior vienedeterminado por el efecto inductivo, visible a partir de los kHz .

En principio, lo deseable es que el modelo abarque el intervalo ms amplio defrecuencia, es decir, desde los Hz hasta los kHz. Pero es en este punto en el que eltiempo del ensayo restringe la eleccin. Esto es debido a que la duracin del ensayono debe ser elevada para evitar que las condiciones de ensayo (especialmente el SoC)varen entre el comienzo y final del ensayo. Esta variacin no deseable de lascondiciones de ensayo se produce si el lmite inferior de la frecuencia es de mHz oHz, ya que se necesitaran horas para realizar el ensayo. Por ello, se elige 0.1 Hzcomo el lmite inferior, ya que la duracin por ensayo no supera los 15 minutos. Parael lmite superior, los resultados preliminares sufran distorsin a frecuenciassuperiores a 6 kHz, por ello se limita la frecuencia mxima a 6 kHz.

Se realizan ensayos variando el estado de carga de la batera, la corriente deoperacin DC y el proceso (carga o descarga). Los estados de carga seleccionadosvan del 40% al 90%, que es adecuado ya que el estado de carga se mantiene en unmargen que no reduce la vida de la batera, al no presentar un SoCexcesivamente

bajo (producen sulfatacin en los electrodos) ni excesivamente alto (produce

sobrecarga).Los niveles de corriente DC se eligen entre 2.5 A y 20 A, de forma que el

intervalo de corriente es amplio. En realidad la batera puede suministrar o aceptarms de 20 A, pero realizar el ensayo a ms de 20 A provoca que la variacin de SoCdurante el ensayo sea de ms del 10%, por lo que se considera que las condiciones sehan modificado en exceso y que los resultados no son vlidos para el SoCinicial delensayo. Por lo tanto, las variables a modificar durante los ensayos son:

Proceso: carga y descarga. SoC: 40 %, 50%, 60%, 70%, 80% y 90%. Idc: 2.5 A, 5 A, 10 A y 20 A.

Para realizar los ensayos de espectroscopia se utiliza el siguiente equipo, cuyaconexin se muestra en la Figura 4.6 y que corresponde a la Figura 4.7:

Analizador de impedancia Solartron 1260. Carga electrnica Chroma 63201: 80 V, 300 A. Fuente de tensin Sorensen DC20-150E: 20 V, 150 A. Ordenador. Sensor de corriente LEM LA 305-S. Fuente de tensin a 15 V para el sensor. Batera VRLA de Tudor Exide: 12 V, 50 Ah.


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Figura 4.6: Esquema conexin de equipos para a) descarga b) carga

Figura 4.7: Fotografa del ensayo de espectroscopia

4.4.2.2.ResultadosA continuacin se muestran los resultados obtenidos mediante ZView, que ajusta

los valores obtenidos durante los ensayos de espectroscopia al circuito equivalente

PC

SOLARTRON1260

BATER A

FUENTE DCPROGRAMABLE

CARGAELECTRNICA


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En la Figura 4.9 se muestran las frecuencias significativas, que son la frecuencia

de resonancia y tambin la frecuencia de corte. Se llama frecuencia de corte a aquellafrecuencia para la que la parte imaginaria de la impedancia capacitiva es mxima.

La zona de arco de circunferencia del diagrama de Nyquist de la Figura 4.8 estanto capacitiva como resistiva y representa al condensador de doble capa que seforma entre un electrodo y el electrolito. Al irse reduciendo la frecuencia, laevolucin de la impedancia podra parecer lineal, reflejando los fenmenos detransporte de masa. Pero en realidad, la zona circunferencial y la lineal son realmentedos circunferencias en vez de una, ya que se produce el efecto de condensador dedoble capa en ambos electrodos, lo que queda reflejado en el diagrama de Nyquistcon dos circunferencias. La segunda circunferencia no es visible a simple vista

debido al lmite inferior de frecuencia elegido, pero si los ensayos se hiciesen con unlmite inferior menor, sera visible.

Figura 4.9: Frecuencias significativas

La frecuencia de resonancia y la frecuencia de corte varan segn el estado decarga de la batera, de forma que se incrementa para bajos SoCs y se reduce paraelevados SoCs, como se muestra en la Figura 4.10 y Figura 4.11.


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150

170

190

210

230

250

270

40 50 60 70 80 90 100

SoC (%)

Frecuencia

resonancia(Hz)

Figura 4.10: Evolucin de la frecuencia de resonancia con el SoC

0

50

100

150

200

250

300

40 50 60 70 80 90 100

SoC (%)

Frecuenciacorte(Hz)

Figura 4.11: Evolucin de la frecuencia de corte con el SoC

Con valores de Z positivos, se observa la zona inductiva de la batera, en la

que la evolucin de la impedancia es prcticamente lineal. En teora, esta zona linealdebera ser una recta totalmente vertical, en cambio, en los resultados experimentalesse observa que la recta tiene una cierta pendiente. Esto es debido al efecto pelicular

por la limitada penetracin de la corriente alterna en los conductores del sistema.Esta profundidad de penetracin de la corriente en los conductores depende de las

propiedades del material, en particular de la inversa de la raz de la conductividad, yde la inversa de la raz de la frecuencia [41].

En los diagramas de Bode de la Figura 4.12 que proporciona ZView se observa laevolucin del mdulo y desfase de la impedancia con la frecuencia. La utilidad deestas grficas estriba en la sencillez en la determinacin de la frecuencia de

7/31/2019 Tesis Pila Combustibl

tesis pila combustible bateria

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