Laboratorio de sistemas de almacenamiento de energía electroquímico

Transcripción

1 Departamento de Ingeniería Eléctrica Laboratorio de sistemas de almacenamiento de energía electroquímico Presentación doctorado

2 Contenido Introducción Objetivos laboratorio sistemas almacenamiento Tipos de ensayo Pruebas V I Técnicas de análisis de impedancia Trabajos de investigación Modelado de supercondensadores conectados en serie Publicaciones 2

3 Introducción Los sistemas de almacenamiento electroquímico tales como pilas de combustible, baterías, supercondensadores, que permiten el almacenamiento de energía a gran escala pueden serutilizados como fuentes de energía en aplicaciones estacionarias (apoyo a energías renovables, sistemas auxiliares) y alimentación de cargas móviles (VE). 3

4 Introducción La integración ió de estos sistemas en aplicaciones i eléctricas tiene un gran interés. Sin embargo estos elementos no pueden ser modelados por suequivalente Thevenin, al igual que una fuente convencional. I Fuente de tensión Potencia noinfinita Energía infinita. Sistema Electroquímico Potencia noinfinita infinita. Energía no infinita 4

5 Objetivos laboratorio sistemas de almacenamiento Realización ió depruebas y ensayos de caracterización ióque permitan conocer y determinar las características de un elemento o sistema electroquímico. A partir de los resultados de ensayos de caracterización crear modelos que reproduzcan el comportamiento de los elementos estudiados (u, i, SOC). El modelo buscado corresponde a un circuito eléctrico con el que se pueda predecir la respuesta del elemento y la integración del modelo en plataformas de simulación (Matlab). 5

6 Tipos de ensayos Relación tensióncorriente : Carga/descarga a corriente constante. Determinación ió de la relación tensión de circuito i abierto (OCV) con el estado de carga (SOC) en baterías. Técnicas de análisis de impedancia: Interrupción de corriente Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) 6

7 Relación V I Carga/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 carga. 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 de descarga), sensoresdecorriente corriente, detensión tensión, sistemadeadquisicióndedatos adquisición datos Dspace (registrar los resultados) 7

8 Relación V I Resultados descarga: Baterías: Descargas a altas corrientes influyen en la capacidad útil (efecto Peukert). Menos tolerancia a las descargas profundas. Supercondensadores: Admite descargasprofundas profundas. 8

9 Técnicas de análisis de impedancia Interrupción 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) donde d se interrumpe la corriente. Descarga: La interrupción de la corriente produce un incremento instantáneo de la tensión. Pasado un corto tiempo este incremento continúa de forma no lineal hasta alcanzar la tensión de circuito i abierto. 9

10 Técnicas 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. 10

11 Técnicas de análisis de impedancia Modelado: dld Debido bd a que los elementos electroquímicos son activos (l (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 (fenómenosde difusión, activación, transferencia de carga). 11

12 Técnicas de análisis de impedancia Espectroscopia de impedancia (EIS): Técnica experimental eneldominio el 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 punto. La prueba se realiza utilizando un analizador de impedancia que permite aplicar una señal alterna de pequeña pq amplitud (superpuesta p a un nivel de continua) 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) 12

13 Técnicas de análisis de impedancia Debido a que la característica tensión corriente de un sistema electroquímico es no lineal, es necesario que la amplitud del rizado de corriente sea lo suficientemente pequeño para realizar el cálculo de impedancia sobre una zona lineal. l Además no puede ser demasiado d pequeño porque puede confundirse con ruido (5% Udc) Ensayo se controla en Corriente: galvanostático Tensión: potenciostático 13

14 Técnicas de análisis de impedancia Diagrama de Nyquist Diagrama de Bode 14

15 Técnicas de análisis de impedancia Representaciónde elementos en el diagrama de Nyquist: 15

16 Técnicas de análisis de impedancia Ejemplo Solartron 1260: GEN OUTPUT: Onda de salida Corriente: mide la I en cada punto de prueba V1: Mide la tensión en cada punto de prueba. Desventaja: La corriente generada es muy pequeña (100 ma) para aumentar la corriente es necesario un potenciostato (caro) 16

17 Técnicas de análisis de impedancia Procedimientodesarrollado desarrollado en LEESS: El control de la señal del solartron permite realizar pruebas a corrientes elevadas de hasta 150 A en el caso de supercondensadores. 17

18 Técnicas de análisis de impedancia Foto montaje EIS: 18

19 Técnicas de análisis de impedancia Ejemploresultados EIS: supercondensador 19

20 Técnicas de análisis de impedancia Impedancia supercondensador: 20

21 Trabajos de investigación 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 almacenamiento. En desarrollo: Modeladode módulosde de celdasde de supercondensadores y baterías de ion litio. 21

22 Modelado 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. 22

23 Modelado supercondensadores conectados en serie Para modelar dl SCsen serie se utiliza: Red RC equivalente ó n modelos individuales. No se considera el efecto de los circuitos i de ecualización ió ni de los demás elementos pasivos del circuito. 23

24 Modelado supercondensadores conectados en serie Validación experimental: 24

25 Modelado supercondensadores conectados en serie Para encontrar diferencias se hace EIS a 6 SC y se compara con un SC: 25

26 Modelado supercondensadores conectados en serie Propuestaunidad unidad funcional paramodelarcadenas SC : 26

27 Modelado supercondensadores conectados en serie Modelado 6 SC serie: 27

28 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: /TCPMT L. Gauchia, and J. Sanz, "Per unit hardware in the loop simulation of a fuel cell/battery hybrid energy system", IEEETransactions on Industrial Electronics, vol. 5, no. 4, pp , April L. Gauchia, and J. Sanz, "Per unit representation tti of electrical lmagnitudes in batteries: a tool for comparison and design", Energy Conversion and Management, vol. 50, pp , 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 ,

29 Departamento de Ingeniería Eléctrica Laboratorio de sistemas de almacenamiento de energía electroquímico Presentación doctorado