Sistema de ensayo y caracterización de supercondensadores. Estudio de supercondensadores sometidos a radiación ionizante.

Transcripción

1 Ssema e ensayo y caracerzacón e superconensaores. Esuo e superconensaores someos a raacón onzane. Máser en Ingenería Elecrónca urso Novembre 23 Auor: Álvaro Praas uengo Drecor: Abelaro Marínez Iurbe orecor: Fernano José Areche González

2 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES ESUMEN Ssema e ensayo y caracerzacón e superconensaores. Esuo e superconensaores someos a raacón onzane. En la acuala, en los ssemas elécrcos e poenca se esá empezano a mplanar caa vez más el uso e superconensaores con el fn e poer mejorar la gesón energéca y así lograr opmzar el consumo energéco e esos ssemas. En algunas aplcacones se esán ulzano como susuo o complemeno e baerías ssemas híbros baerías-superconensaores. os superconensaores son conensaores elecroquímcos e elevaa capaca cuyo valor puee llegar a más e varos mles e Faraos. as prncpales venajas sobre las baerías comunes son las sguenes: pueen manejar correnes mucho más elevaas, son más efcenes, enen una va úl mucho mayor, reuco manenmeno y la facla para monorzar su carga. Debo a su recene ulzacón no se ene gran conocmeno sobre el funconameno e esos sposvos en snos enornos, su va úl, egraacón, ec. En ese Trabajo Fn e Máser TFM se propone el seño e un ssema para caracerzacón e superconensaores que eberá eermnar e forma precsa sus parámeros prncpales: capaca y ressenca sere equvalene ES y su egraacón a lo largo el empo. El núcleo el ssema será un converor elecrónco e poenca que permrá cargar y escargar en correne connua los superconensaores someos a ensayo. El ssema será oalmene confgurable en cuano a nveles e correne, nveles e ensón y empo e ensayo y eberá poer operar e forma auónoma. os problemas que se aboran en ese TFM son prncpalmene: - El seño compleo e un converor elecrónco que perma correnes e carga/escarga e hasa 5A, con un rzao e correne muy bajo. - El seño el conrol ano el converor como el ssema global por meo e un mcroconrolaor. - Dseño e un ssema precso e mecón e ensón, correne y emperaura, y monorzacón en empo real. - Valacón el ssema con pruebas expermenales. A fn e poer emosrar las capacaes el ssema señao, se va a realzar la caracerzacón e superconensaores someos a raacón onzane. Para lo cual se proceerá a eermnar los prncpales parámeros e un superconensaor anes y espués e haberse someo a una eermnaa oss e raacón onzane elecrones. Esos esuos forman pare e los análss prevos el proyeco el fuuro aceleraor e parículas lneal, Inernaonal near oller I [2] y han so fnancaos parcalmene a ravés el proyeco el Plan Naconal e Invesgacón FPA DET4HEP: ID en eecores para fuuros olsonaores. Igualmene pare e ese rabajo se ha realzao en colaboracón con el Insuo e Mcroelecronca e Barcelona IMB-NM- SI, Insuo e Físca e anabra IFA y la unversa e Bonn.

3 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES ÍNDIE - INTODUIÓN Y OBJETIVOS INTODUIÓN OBJETIVOS DE TFM SUPEONDENSADOES. AATEÍSTIAS Y POPIEDADES AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES DISEÑO DE SISTEMA AATEÍSTIAS Y ESPEIFIAIONES INIIAES DIAGAMA DE BOQUES DE SISTEMA ONVETIDO D/D MODEADO Y ONTO DE ONVETIDO MODEADO DE ONVETIDO ÁUO Y AJUSTE DE OMPENSADOES SIMUAIÓN DE ONVETIDO EGUADO EN PSIM POTOTIPO ESQUEMA Y PB PAA DE ONTO PUEBAS FUNIONAES Meas expermenales con oscloscopo Mea e un superconensaor ESTUDIO DE SUPEONDENSADOES SOMETIDOS A ADIAIÓN IONIZANTE INTODUIÓN Y DESIPIÓN DE AS PUEBAS Seleccón e muesras Meas anes e ser rraaos Irraacón e superconensaores Meas espués e ser rraaos ESUTADOS EXPEIMENTAES ONUSIONES Y ÍNEAS FUTUAS ANEXO A. MODEADO DE ONVETIDO A- BUK AGA DE SUPEONDENSADO A2- BOOST DESAGA DE SUPEONDENSADO ANEXO B. SOFTWAE DE ONTO, MONITOIZAIÓN Y ADQUISIIÓN DE DATOS B- POGAMAIÓN DE ONTO B2- INTEFAZ DE ONFIGUAIÓN Y VISUAIZAIÓN BIBIOGAFÍA

4 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES - INTODUIÓN Y OBJETIVOS.- Inrouccón as enencas acuales e búsquea e una efcenca energéca caa vez mayor van recamene asocaas al concepo e almacenameno energéco: Energías renovables, ssemas regeneravos, ssemas pulsaos, ec. os ssemas cláscos e almacenameno han compreno ano volanes e nerca mecáncos como baerías elecroquímcos. Sn embargo, en los úlmos años ha creco la mporanca e los superconensaores como elemenos auxlares en snos secores: generacón y srbucón e energía [][2], secor e auomocón [3][4], ranspore, nusra ferrovara [5][6][7] y sposvos elecróncos e carácer general. De esa crecene mplanacón surge la necesa e conocer con precsón las caraceríscas e los superconensaores, esuar cómo se comporan en snos enornos, conocer los mecansmos e egraacón, va úl, ec. En base a esa necesa surgen numerosos esuos, écncas y méoos para la caracerzacón e superconensaores [2]. Esos esuos raan e eermnar las caraceríscas prncpales e un superconensaor prncpalmene: apaca, ressenca sere equvalene ES y correne e fuga auoescarga e la manera más smple, precsa y fable posble. Enre oos esos méoos, exse uno que ha so normalzao según la norma IE 6239:26 [3], y que por ano cobra especal mporanca. En los úlmos años se han esarrollao bancos e prueba para la caracerzacón e superconensaores basaos ano en el méoo normalzao [8], como en oros no normalzaos. Sn embargo esos bancos e ensayo van en su mayor pare rgos a aplcacones e ala poenca auomocón, ferrovara, energías renovables, ec. y por ano se aplcan prncpalmene a superconensaores e elevaa capaca..2- Objevos el TFM El objevo prncpal e ese Trabajo Fn e Máser es el seño e un ssema para caracerzacón e superconensaores que eberá eermnar e forma precsa sus parámeros prncpales: capaca y ressenca sere equvalene ES, realzano mecón e emperaura. Y aemás será capaz e realzar ensayos cíclcos e forma auónoma para la realzacón e esuos e egraacón. Su caraceríscas ferencaoras serán que eberá ser un ssema porál, y que su rango e ensayo le perma caracerzar con precsón superconensaores e práccamene cualquer capaca. Ese ssema preene ser ulzao para esuar cómo se ven afecaas esas caraceríscas en snos enornos y concones e rabajo. omo seguna pare el TFM, se preene ulzar el 3

5 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES ssema para esuar la egraacón e superconensaores someos a raacón onzane generaa en un aceleraor e parículas. Esos esuos forman pare e los análss prevos el proyeco el fuuro aceleraor e parículas lneal I [2], y enen como objevo esuar la vabla e la ulzacón e superconensaores en las fuenes e almenacón e los eecores el aceleraor..3- Superconensaores. araceríscas y propeaes os super-conensaores son conensaores elecroquímcos e elevaa capaca cuyo valor puee llegar a varos mles e Faraos. Gracas a esa elevaa capaca, en la acuala los superconensaores se esán ulzano como ssemas e almacenameno e energía efcenes y e gran fabla. Exsen e varos pos, aunque los más conocos y comercalzaos son los ED Elecrc Double ayer apacor. En la sguene fgura se muesra la esrucura y composcón nerna e ese po e superconensaores: Fg. : Esrucura y composcón e un superconensaor [9] A connuacón se explcan las prncpales caraceríscas los superconensaores y sus ferencas con oros sposvos e almacenameno comunes: - Almacenameno energéco ensa energéca. omparao con conensaores elecrolícos convenconales, los superconensaores pueen llegar a ener una ensa energéca varos órenes e magnu mayor. Por conra, acualmene esa ensa energéca es mucho menor que la obena por baerías convenconales. - Gran ensa e poenca. Ese parámero hace referenca a la poenca que un sposvo es capaz e enregar/recbr por una e volumen. a ensa e poenca es uno e los 4

6 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES punos fueres e los superconensaores seno ípcamene e unos kw/kg. Ese valor es más e un oren e magnu mayor al e las baerías e on lo. - Muy baja essenca Sere Equvalene ES. omparaos con baerías, la ressenca nerna e los ED es mucho menor, lo que les perme rabajar con correnes muy alas con una elevaa efcenca energéca. - arga y escarga muy rápa. Gracas a las caraceríscas anerores y a que el mecansmo e almacenameno e los superconensaores no es por efeco e una reaccón químca, pueen manejar elevaas correnes y con una efcenca práccamene gual ano en carga como en escarga. - Energía pulsaa. os superconensaores son capaces e rabajar e forma pulsaa, manejano elevaos pcos e poenca sn sufrr efecos e egraacón. as baerías en general ven reuca su va úl rabajano e esa forma. - Va úl. Según los fabrcanes e superconensaores, la va úl e ésos se puee esmar en alreeor e mllón e cclos e carga/escarga, menras que la e las baerías e on lo es e unos cclos aproxmaamene. - Volaje por cela. Típcamene los ED enen un volaje máxmo por cela e unos 2,7V, por lo que en funcón e la aplcacón, es necesara la conexón e varas celas en sere para obener un volaje superor aecuao. os superconensaores pueen rabajar en oo el rango e volaje hasa su ensón máxma, permeno mejor aapacón que las baerías a ssemas que funconen a snos volajes. Aemás, eso perme que puean ser oalmene escargaos sn sufrr egraacón alguna, mejorano la segura en el almacenaje. as baerías sn embargo, pueen sufrr años rreversbles s se escargan excesvamene. - Equlbrao e celas. Por la caracerísca aneror, y ebo a las olerancas e los superconensaores, surge la necesa e balancear las ensones cuano exse una conexón en sere. a no aplcacón e un crcuo e equlbrao aecuao puee llevar a que algunas celas esén rabajano en sobre-carga fuera e las especfcacones recomenaas, menras que oras esarán muy por ebajo e esas, provocano así una rápa egraacón e las prmeras. - Facla para eermnar el esao e carga. a carga y escarga es práccamene lneal, y por ano el esao e carga SO se obene recamene a ravés e la mecón el volaje en un eermnao momeno. 5

7 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES - Amplo rango e emperaura e funconameno. Típcamene los fabrcanes esablecen un rango e rabajo e enre -4 y 65º ano en carga como escarga. Ese rango es mucho mayor que el e las baerías e lo, sobre oo a bajas emperauras según aos e fabrcanes, -2 a 6º en escarga y e a 45º en carga aproxmaamene. A connuacón se muesra una abla resumen e esos ssemas e almacenameno: Tabla I: omparava e ssemas e almacenameno [] Parámeros onensaor Elecrosáco Superconensaor Baería Tempo e escarga -6 ~ -3 seg ~3 seg.3~3 hrs Tempo e carga -6 ~ -3 seg ~3 seg ~5 hrs Densa e energía Wh/kg <. ~ 2~ Densa e poenca W/kg <,, 5~2 Efcenca carga/escarga ~. ~.95.7~.85 clos e va úl ~ nfnos > 5, 5~2,.4- aracerzacón e superconensaores a mplemenacón y uso correco e un superconensaor o un banco e superconensaores así como su manenmeno, pasa por un precso conocmeno e sus caraceríscas y su comporameno en snos enornos. Para ello, se han esarrollao versos méoos e mea o caracerzacón [][2]. os prncpales méoos e caracerzacón se pueen resumr en los sguenes: méoo e carga / escarga a correne consane, méoo ressvo, ensayo e cclos e ensón, cronoamperomería, ensayo e cclos a poenca consane, especroscopa e mpeanca y méoo e ressenca negava. aa uno e esos méoos efne una sera e pauas para realzar la mea e la capaca y la ressenca equvalene sere e un superconensaor. Ese TFM se va a cenrar en el méoo e carga/escarga a correne consane, que es el efno por la norma IE 6239:26 [3]. 6

8 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Fg. 2: Volaje en ermnales el superconensaor urane el ensayo En la fgura aneror se efne el ensayo e correne consane. Se muesra el perfl el volaje en los ermnales el superconensaor urane el ensayo. El proceso e mea sgueno la curva e la Fg. 2 es el sguene: - El superconensaor se carga a correne consane hasa su ensón nomnal U, por lo que la ensón urane la carga será una reca e penene consane. 2- Se manene el conensaor cargao urane 3 mnuos para eermnar su auo-escarga ressenca e fuga. 3- Se nca la escarga a correne consane I*. Se me la varacón e ensón U 3 para eermnar la ES: U ES Ω I 3 4- Durane la escarga se me el empo que ara en pasar el volaje U * al volaje U 2 *. Se eermna la capaca en escarga: V I 2 I F U U * os volajes e mea U y U 2, y la correne e ensayo I, esán efnos por la norma en funcón e la capaca el conensaor, su volaje nomnal y su clase la clase se esablece en funcón el po e aplcacón. Ver Tabla II: 2 Tabla II: Parámeros e ensayo según la norma IE 6239:26. 7

9 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 2- DISEÑO DE SISTEMA 2.- araceríscas y especfcacones ncales Incalmene se efneron unas caraceríscas y capacaes esencales que ebería cumplr el ssema, y son las sguenes: - os parámeros e ensayo serán oalmene confgurables a ravés e un nerface vsual: Tempo y número e cclos, correne en carga y en escarga, ensones e ensayo, empo e paraa enre cclos, ec. - Una vez confgurao, el ssema será capaz e realzar cclos e carga y escarga a correne consane e forma auónoma, regsrano en oo momeno la nformacón obena urane el ensayo ensón, correne y emperaura. - angos e mea con oleranca 5%: o apaca e,f a F o ES mínma e,mω - apacaes el ssema: o orrene máxma e ensayo 5A o ango e correne ese, hasa 5A o Tensón máxma e sala 5V 8

10 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 2.2- Dagrama e bloques el ssema Fg. 3: Dagrama e bloques el ssema En la Fg. 3 se puee ver el esquema e bloques general el ssema e caracerzacón e superconensaores. A connuacón se explca caa uno e los componenes con mayor ealle: - onveror D / D: Es el núcleo el ssema e caracerzacón. Se raa e un converor brecconal conrolao en correne, y que por ano perme realzar ano la carga como la escarga a correne consane el superconensaor someo a ensayo. - Banco e superconensaores: Acúa como buffer energéco el ssema. Enrega energía urane la carga el superconensaor ensayao, y la absorbe urane la escarga. De esa forma, urane un ensayo la energía fluye e un lao a oro el converor, necesano úncamene compensar las péras el ssema. - Ssema e precarga y manenmeno: rcuo elecrónco que realza la precarga ncal el banco e superconensaores, y aemás manene el volaje e esos enro e los rangos e ensón eermnaos urane la ejecucón e un ensayo. Ese ssema es e relavamene baja poenca, ya que úncamene eberá compensar las péras el ssema. 9

11 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES - Fuene auxlar 5V: Se raa e una fuene e baja poenca e 5V, ulzaa para almenar el rver e los ranssores, los sensores e correne, relés, crcuos e proeccón, ec. - Tano el ssema e precarga como la fuene auxlar se almenan recamene e la re elécrca a 23V. - Ssema e conrol y aquscón e aos: Ese ssema se compone e una placa e prueba con un mcroconrolaor 2 e Texas Insrumens. El mcroconrolaor se encarga e muesrear oas las señales el ssema Fg. 3, realzar el conrol el converor e poenca y el conrol el ssema compleo. A ravés e un puero USB se comunca con un P para ransferr en empo real las señales meas onveror D/D Para obener un bajo rzao e correne en oo el rango esableco, y que la mea sea lo más precsa posble, se realza un seño en res ramas nepenenes e sala. Sólo una e las ramas esará en funconameno en caa momeno, y caa una e ellas esará opmzaa para un eermnao rango e correne. El esquema smplfcao quearía al como se ve en la sguene fgura: Fg. 4: Esquema e converor D/D Se esablecen 3 rangos e correne srbuos unformemene: [6-5A], [5-6A] y [.5-5A]. En caa una e las ramas se calcula la nucanca necesara para obener un rzao e correne menor el 5% en oo el rango e ensayo. El caso más esfavorable para el cálculo será para el caso e nvel e correne más bajo para el que se va a ulzar caa una e las ramas rama 5A -> 7A, rama 6A -> 6A y rama 5A ->,5A

12 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES onforme al esquema e la Fg., el rzao e correne máxmo venrá eermnao por la nucanca, la frecuenca e conmuacón y la ensón a la que se encuenre el superconensaor ensayao. El rzao e correne máxmo se ará en el caso en que la ensón el conensaor sea máxma ~2.7V, y la ensón el móulo e almenacón sea ambén máxma ~6V. En ese caso el empo e conuccón e T2 será muy alo se supone próxmo al peroo compleo e conmuacón e 5µs: Suponeno ncalmene la sguene confguracón: - Frecuenca e conmuacón: 2kHz. - Vmax Superconensaor: 2,7V. V S ama 5A: V S 5µ s VS 2.7V 5µ H.5 7 ama 6A: 5µ s 2 VS 2.7V 54µ H.5 5 ama 5A: 5µ s 3 VS 2.7V 54µ H.5.5 omponenes prncpales el converor D/D: - ow s MOSFET: Inernaonal ecfer IF AUIF284 TO-22 o s ípca.5mω o I máx 95A o Vs máx 4V - Drver MOSFET: Farchl FAN7392MX ual rver para MOSFET en confguracón sempuene. - elés e seleccón e rama: Se ulzan relés e auomocón ya que encajan perfecamene con las caraceríscas el ssema: ala correne y ensón reuca <24V. o ama 5A: elé DUAKOO - DG85 8A máx o ama 5A y 6A: elé compaco DUAKOO - DG2 3A máx

13 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES - Sensores e correne: Se ulzan sensores e correne e efeco Hall con almenacón unpolar e 5V. o ama 5A: Sensor EM AS25-NP ango e mea ±85A, sensbla 25mV/A, precsón e,8% o ama 6A: Sensor EM TS6-NP ango e mea ±9.2A, sensbla 4,6mV/A, precsón e,2% o ama 5A: Sensor EM TS6-NP 3 vuelas ango e mea ±6.4A, sensbla 32,48mV/A, precsón e,2% - Móulo e superconensaores: Móulo Maxwell BMOD5P6B e 5F / 6V. Se elge ese móulo para que rabajano enre 8V y 5V sea capaz e almacenar la sufcene energía para realzar la carga complea el superconensaor e mayor amaño que se vaya a ensayar en prncpo la cela e mayor capaca comercal fabrcaa es e unos 62F o Energía almacenaa móulo E 4kJ o Energía e superconensaor enre.8 y 2.7V E 2kJ 2 on ese margen se asegura que el móulo va a ser capaz e almacenar la energía para la realzacón e cclos compleos. Y se manene un margen e segura para compensar las péras el converor y las olerancas y egraacón el móulo e superconensaores. 3- MODEADO Y ONTO DE ONVETIDO 3.- Moelao el converor Fg. 5: Esquema el converor con componenes parásos 2

14 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES En la Fg. 5 se muesra el moelo el converor ncluyeno los componenes parásos: - s: essenca equvalene el móulo e superconensaores ES cableao - T y T2: Incluyeno ressenca en conuccón e los MOSFET s ON - : ES e la nucanca - : essenca equvalene el superconensaor someo a ensayo ES cableao Depeneno el moo e funconameno, carga o escarga el superconensaor, el converor se comporará como un reucor Buck o como un elevaor Boos, con la salvea e que el parámero que se quere regular es sempre el msmo correne por el superconensaor. A connuacón se va a esuar el moelao y conrol e caa uno e los os moos e funconameno por separao. Se va a calcular la funcón e ransferenca G s el moelo promeao e pequeña señal en moo e conuccón connua, enre la señal e conrol s y la correne e sala s, para poserormene obener el compensaor más aecuao para esa aplcacón. En el anexo A se esarrolla en ealle el moelo el converor con el cual se obene la funcón e ransferenca e pequeña señal: G ˆ s s ˆ s s 2 sv D s p 3.2- álculo y ajuse e compensaores A parr e las funcones e ransferenca obenas y los valores concreos e los componenes e caa rama, se van a calcular los compensaores el conrol el converor. Tabla III: Valores e componenes ulzaos para el cálculo el regulaor ama 5A ama 5A ama 5A Vc 2 V 2 V 2 V 5 µh 5 µh 25 µh F F F p.2 Ω.3 Ω. Ω En la Tabla III se ncan los valores selecconaos para realzar el cálculo el conrolaor. Se ulzan ncalmene valores ípcos e caa rango e mea. A connuacón, en la Fg. 6 se muesra el agrama e Boe en lazo abero obeno con Malab: 3

15 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 6 Buck Open oop 4 Magnue B Phase eg ama 5A ama 5A ama 5A Frequency Hz Fg. 6: Dagrama e Boe en lazo abero Se calculan los compensaores nvualmene para caa una e las ramas. Se esablecen como parámeros: - BW 3kHz. Se esablece un ancho e bana no muy elevao para que el ssema sea más nmune y esable. Se necesa que la correne esé esablzaa en un máxmo e 2 ms ras el arranque, por lo que ese ancho e bana será sufcene. - MF>75º. Se obenrá un ssema muy esable y con muy baja sobre-osclacón. ompensaores: Se obenen calculan y ajusan con la herramena Ssoool e Malab: ama 5A: s 7 ama 5A: s 48 ama 5A: s 238.4s s.7s s.7s s A connuacón se muesra el agrama e Boe el ssema compensao en lazo abero: 4

16 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Magnue B 5-5 Buck Open oop compensaor ama 5A ama 5A ama 5A - -9 Phase eg -2-5 Sysem: ama 5A Frequency Hz: 3.8e3 Phase eg: Frequency Hz Fg. 7: Dagrama e Boe. Ssema compensao en lazo abero En la Fg. 7 se puee observar que ras aplcar el compensaor a caa una e las ramas, la respuesa en frecuenca e caa una e ellas es muy smlar. Se ha conseguo que nepenenemene e la rama selecconaa, se obenga un ancho e bana e 3kHz en el conrol y un margen e fase e aproxmaamene 75º..4.2 Buck, espuesa a escalón ama 5A ama 5A ama 5A Amplue Tme sec x -3 Fg. 8: espuesa emporal en Malab. espuesa a un escalón 5

17 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES.4.2 Buck, espuesa a escalón ama 5A ama 5A ama 5A Amplue omo se observa en la Tme sec x -3 Fg. 8, la respuesa ransora e caa una e las ramas es muy smlar una vez aplcao el compensaor Smulacón el converor regulao en PSIM Para asegurar el correco funconameno el conrolaor calculao, se realza la smulacón el moelo conmuao con el sofware e smulacón e crcuos PSIM. 7 I Vref I Vref Tme s Tme s a b Fg. 9: espuesa emporal e la rama e 5A en Psm. a espuesa a un escalón e carga. b espuesa a escalón e carga y e escarga. En la fgura aneror se puee observar la respuesa emporal obena con Psm. Se raa e la respuesa e la correne por el superconensaor a un escalón e 5A en el conrol. El crcuo que se ha mplemenao se muesra en la Fg. : 6

18 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 5m s 5u 2m A m FITO PASO BAJO fc 2kHz MODUADO PWM K Kp EGUADO PI K SEÑA DE ONSIGNA Vref Fg. : Esquema el converor para smulacón en Psm. El crcuo mplemenao es el converor brecconal síncrono que se esea señar ncluyeno valores ípcos e los componenes parásos. a señal a conrolar es la correne a la sala. Se me con un sensor e correne y se le aplca un flro paso bajo e 2kHz f sw / para que la señal realmenaa enga el menor rzao posble, y con una frecuenca e core lo sufcenemene ala como para no afecar negavamene al conrol. Se obene el error resánole la mea a la señal e consgna. Después se aplca el regulaor PI con los parámeros calculaos en el aparao aneror, y la señal e referenca generaa se lleva al comparaor el moulaor PWM que genera las os señales complemenaras para los os MOSFETs. 7 I Vref I Vref Tme s Tme s a b Fg. : espuesa emporal e la rama e 5A en Psm Señal e conrol amorguaa. a espuesa a un escalón e carga. b espuesa a escalón e carga y e escarga. 7

19 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Para aenuar la sobre-osclacón observaa en los ransoros, se aplca un flro paso bajo fckhz a la señal e referenca para evar cambos bruscos y que por ano el ransoro se prouzca e forma más suave. omo se puee ver en la Fg., las sobreosclacones han so práccamene elmnaas. 4- POTOTIPO 4.- Esquema y PB El esquema esá vo en os pares para faclar su lecura y comprensón. Aemás, para smplfcar el esquema, se han omo las fuenes e almenacón auxlares y crcuos e eeccón e sobreensones. Ver sguene fgura: 23V/5Hz 2xFASTON N VEE4 Valarma_Vrack N 5V 3K3 K 5 GND ,5W 22k D5 448 Q4 GND2 B87-4 SOT SPDT 2V/A Q3 B87-4 SOT uF/275Vac 5 2.2uF/275Vac T TAFO 23/9V D2 B54 SM D7 B54 SM GND D3 B54 SM D8 B54 SM Vrack F 5F/6V 2 Fuse 3A To ack S exernal PB Vmcro Vmcro2 6 K GND4 3 8 GND4 4 3V3 2 I4 9 N3 nf N4 2 VDD 3 HIN 4 SD 5 IN 6 VSS N5 Vs 9 FAN V 86 D 2uH/5A 448 DUAKOO - DG GND 7 HO 8 VB 7 VS 6 5 N2 N 4 V 3 OM 2 O 9 6 nf 2 uf/35v 22nF/63V MKT D9 8 Q 56/W I AUIF284 5V 3 boo Q2 I AUIF /W 4 /W 22nF/63V MKT 5V 5V D4 448 D uH/2A DUAKOO - DG uH/3A DUAKOO - DG Vsc3 I EM-TS 6-NP 6 2 IN OUT6 5 3 IN2 OUT5 4 IN3 OUT4 GND5 Vou GND Vc 27 nf 5Vsns I2 EM-TS 6-NP Vsc2 5Vsns F2 Fuse 2A F3 Fuse 5A Vsc I3 EM-AS 25-NP IN3 OUT8 9 IN2 OUT9 IN OUT Vou GND Vc 2 3 5Vsns Vou F4 Fuse 6A 22nF/63V MKT S GND5 28 nf GND5 29 nf S2 To S Tes Q6 B87-4 Q5 B87-4 Q7 B87-4 GND2 7 3K3 GND2 8 3K3 GND2 9 3K3 VEE VEE2 VEE3 Fg. 2: Esquema para proopo el ssema e caracerzacón e superconensaores. 8

20 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES En rojo se resalan los bloques prncpales el ssema: - rcuo e precarga y manenmeno e carga el móulo e superconensaores. a acvacón e ese crcuo se realza a ravés e un relé. 2- onexón el móulo e superconensaores y fusble. 3- onjuno e conensaores e esacoplo juso anes e los ranssores. 4- Transsores MOSFET e baja ressenca e conuccón. 5- rcuo que negra el rver e sparo e los os ranssores. 6- elés e seleccón e rama. 7- Se observan las 3 ramas señaas para snos rangos e correne. aa rama consa e: relé e seleccón, nucanca e flrao, sensor e correne e efeco Hall y fusble e proeccón. as 3 ramas se unen a la sala one se conecará el superconensaor que se vaya a ensayar. A connuacón se muesra el plano e sergrafía e la PB y se ncan los componenes marcaos en el esquema aneror con la msma numeracón: Fg. 3: Plano e sergrafía e la PB. En la sguene fgura se muesra la foografía el proopo fnalzao y oalmene funconal. Del msmo moo se explcan caa una e pares más mporanes: 9

21 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Fg. 4: Foografía e proopo funconal. - onexón enre placa e conrol y placa e poenca. Bana plana con señales analógcas y señales gales lenas. onecor e 4 pnes separao para señales PWM. 2- onecores a 5V para conexón e venlacón forzaa. 3- onexón e almenacón a re e 23V. 4- Fuene auxlar e 5V/W almenaa a 23V. 5- EDs e ncacón e esao el ssema y comparaores para acvar alarmas por sobreensón. 6- rcuo e precarga y e manenmeno e carga e móulo e superconensaores. 7- Drver para sparo e los ranssores. 8- Transsores MOSFET encapsulao TO-22 con su spaor. Derás e los spaores se encuenra la conexón el móulo e superconensaores, el fusble e enraa y los conensaores e esacoplo. 9- ama e correne baja 5A. Incluye e arrba abajo: relé lo apa parcalmene la bobna el recuaro bobna, sensor e correne azul y fusble e 8A naranja. - ama e mea correne 6A. Incluye e arrba abajo: relé erás e la bobna, bobna, sensor e correne azul y fusble e 2A amarllo. - ama e correne ala 5A. Incluye e arrba abajo: relé, bobna, sensor e correne azul y fusble e 6A azul claro. 2- onecor el superconensaor someo a ensayo. 2

22 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 4.2- Placa e conrol Para el conrol y monorzacón el ssema, se ha ulzao una placa e esarrollo e Texas Insrumens: Texas Insrumens Expermener K TMS322 con DSP Delfno F Fg. 5: Placa e esarrollo e Texas Insrumens. omo se observa en la Fg. 5, esa placa ncluye un pequeño espaco para solar componenes s fuera necesaro conecores, flros, vsores e ensón, ec.. El mcroconrolaor posee os pueros e enraas analógcas e 8 canales e 2bs caa uno y 48 pnes accesbles e enraas/salas gales oalmene confgurables. PWM MOSFETSS SENSO DE TEMP NT 3 VOTAJE MODUO S SENSO DE OIENTE 3 P EÉS SEEIÓN DE AMAA SENSO DE TEMP NT 2 SENSO DE OIENTE 2 EÉ PEAGA SENSO DE TEMP NT SENSO DE OIENTE FITADO y AONDIIONAM MIENTO DE SEÑA PUETO USB GND 3.3V 5V E/S DIGITAES PAA DE ONTO E/S DIGITAES 3.3V AMP DIF AD PUETO B AD PUETO A FITADO y AONDIIONAMIEN NTO DE SEÑA VOTAJE DIFEENIA SUPEONDENSADO Fg. 6: Esquema e conexonao e placa e conrol. 2

23 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES En la Fg. 6 se muesra el esquema el conexonao e la placa e conrol. A connuacón se escrben los punos prncpales: - Flrao y aconconameno e señal: oas las enraas analógcas se conecan a ravés e un flro paso bajo con una frecuenca e core acore a la señal mea. as señales e los sensores e correne aemás se escalan con un vsor ressvo e 5V a 3V gananca 3/5. os ermsores NT se conecan aemás con una ressenca e pull-up a 3V. - Amplfcaor ferencal Amp Df: Para que la mea e ensón sea exaca y no se vea afecaa por las caías e ensón en el cableao, se realza una mea e ensón el superconensaor con un amplfcaor ferencal. Para la mea e ensón se ulzan los 8 canales el puero A en paralelo y así obener mayor precsón promeano las 8 meas. Ese méoo e mul-muesreo sumao a la realzacón e un ovesamplng y aplcano un flrao gal, se ulza para superar la lmacón e la cuanzacón e los 2bs que posee el conversor A/D y obener mayor precsón en las meas [7] [8]. - onexón P: a placa se coneca a un P a ravés e un puero USB. a programacón, aquscón e aos y vsualzacón se realza a ravés el sofware Vssm e Vsual Soluons sofware e programacón gráfca smlar a Smulnk 22

24 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 4.3- Pruebas Funconales Meas expermenales con oscloscopo Incalmene se realzan meas expermenales con oscloscopo para verfcar la correca regulacón e la correne en caa una e las ramas, y verfcar que los ransoros e arranque son coherenes con los cálculos anerormene realzaos. os equpos ulzaos para la mea son los sguenes: oscloscopo ohe & Schwarz TO y sona e correne e efeco Hall Tekronx TP33 mea e correne en D hasa 5A y ancho e bana e 5MHz. En las sguenes fguras se muesran los resulaos: Fg. 7: Mea expermenal con Oscloscopo. espuesa a escalón e 5A en carga y en escarga ama 6A. Escala eje Y: 4A/v. Escala eje X: ms/v. Fg. 8: Mea expermenal con Oscloscopo. espuesa a escalón e 4A en carga y en escarga ama 5A. Escala eje Y: A/v. Escala eje X: ms/v. 23

25 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Fg. 9: Mea expermenal con Oscloscopo. espuesa a escalón e 5A en carga y en escarga ama 5A. Escala eje Y: 2A/v. Escala eje X: ms/v. Se puee observar que en oos los casos en oas las ramas la regulacón e la correne es correca y el ransoro con una pequeña sobre-osclacón se ajusa perfecamene a la respuesa observaa en el moelo e smulacón. Tambén se observa perfecamene que en esos casos e mea no esá mplemenao oavía el flrao e la señal e referenca, y por ano se genera un leve sobreosclacón. En la rama e menor correne, se ve que el ransoro e escarga es más leno que en las emás. Eso es ebo a la lmacón que genera en la námca el ssema el hecho e que la nucanca sea mucho mayor que en los oros casos. 24

26 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Mea e un superconensaor Para realzar esas pruebas funconales, se oma como muesra un pequeño superconensaor e F el fabrcane Nesscap moelo ESHS--27. En la foografía e la Fg. 2 se muesra como quea un ejemplo el monaje el ssema Fg. 2: Foografía el ssema en funconameno En la magen se muesran los sguenes componenes numeraos: - Placa e conrol placa e Texas Insrumens. 2- Placa el converor e poenca. 3- onexón e almenacón e 23V. 4- Transformaor e baja frecuenca corresponene al ssema e manenmeno e carga el móulo e superconensaores. 5- onexón el móulo e superconensaores Maxwell que quea fuera e la magen. 6- Superconensaor someo a ensayo, conecao a la placa e poenca y a la placa e conrol con cableao nepenene, para realzar mea e ensón ferencal el caso e la foo no se correspone con el superconensaor e F el es escro. Para verfcar la funconala el ssema, se confgura un ensayo a 3.5A con una uracón e 5 segunos. No se realza un ensayo normalzao, ya que el objevo e esa mea es úncamene la verfcacón el correco funconameno y mea el ssema. as caraceríscas que a el fabrcane sobre ese superconensaor son las sguenes: 25

27 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES - apaca: F -/2%, mea en escarga a correne consane y a 25º. - D ES: menor que 34mΩ. - Volaje nomnal: 2.7V. En las sguenes fguras se muesran los resulaos e las meas expermenales realzaas: Fg. 2: egsro e meas e ensón y correne urane el ensayo. Fg. 22: egsro e mea e capaca A: en escarga, B: en carga. En la Fg. 2 se puee ver la evolucón e la ensón urane los cclos e carga y escarga, y se aprecan los salos e ensón ebos a la ES ano en el arranque como en la paraa. En la gráfca 26

28 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES e correne se pueen ver perfecamene los 3 esaos e correne que se ejecuan urane el ensayo: carga a 3.5A, paraa y escarga a 3.5A. En la Fg. 22 se puee observar que la capaca en escarga se encuenra enre 8.7F y 8.8F, lo que ejaría al componene fuera e las especfcacones el fabrcane. Ese hecho puee ser ebo a que el fabrcane no especfca las concones exacas en las que me sus componenes, como por ejemplo la correne e ensayo, y por ano no se puee hacer una comparacón precsa reca con nuesros resulaos. Fg. 23: Mea e ressenca sere y emperaura el superconensaor. En la prmera gráfca e la Fg. 23 se observa la fuere epenenca exsene e la ressenca nerna el conensaor con la emperaura. a ressenca escene con el aumeno la emperaura. on esa mea se verfca el correco funconameno el ssema e mea, ya que ese es un efeco conoco en los superconensaores ED. Ver como ejemplo la sguene fgura el fabrcane Maxwell: Fg. 24: Gráfco e la epenenca e la ressenca y capaca con la emperaura valores relavos a referenca omaa a 25º [6]. 27

29 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 5- ESTUDIO DE SUPEONDENSADOES SOMETIDOS A ADIAIÓN IONIZANTE 5.3. Inrouccón y escrpcón e las pruebas omo ya se ha comenao en la nrouccón, esas pruebas enen como objevo esuar la vabla e la ulzacón e superconensaores en las fuenes e almenacón e los eecores el fuuro aceleraor e parículas lneal I Inernaonal neal oler. El proceso e esuo se ealla en los sguenes sub-aparaos: 5..- Seleccón e muesras Se selecconan varas muesras e snos fabrcanes para la realzacón el esuo sobre componenes e snas caraceríscas. En concreo se selecconan 5 muesras e capacaes enre F y 25F e fabrcanes reconocos se selecconan esas capacaes porque esán el oren e las que eórcamene se ulzarán en el ssema e almenacón real: o Muesras y 2: Maxwell e 25F V 2.7V. o Muesra 3: Maxwell e F V 2.7V. o Muesra 4: Nesscap e F V 2.7V. o Muesra 5: Panasonc e F V 2.5V. En la sguene foografía se muesran los conensaores objeos el esuo anes e ser envaos a raar. Fg. 25: Superconensaores objeo e esuo. 28

30 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Meas anes e ser rraaos on el ssema e caracerzacón señao se realzan las meas a snos nveles e correne e las muesras selecconaas, realzano cclos e carga/escarga urane mnuos. as correnes e ensayo serán las sguenes: o Nvel : orrene normalzaa para clase 3 ver fgura 4. I 4 V o Nvel 2: orrene normalzaa para clase 4. I 2 4 V o Nvel 3: orrene nomnal especfcaa por el fabrcane. o Nvel 4: orrene e pco máxma especfcaa por el fabrcane Irraacón e superconensaores os superconensaores son someos a unas eermnaas oss e raacón. oncreamene fueron someos a un es e raacón en el aceleraor e parículas Elecron Srecher Acceleraor ESA, Bonn. a b Fg. 26: a y b Insalacones el ESA. c Mea e oss recba. c 29

31 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES En la fgura aneror se pueen ver os foografías a y b e las nsalacones el aceleraor e parículas ESA one han so rraaos los superconensaor someos a esuo. a foografía b muesra el objevo one mpaca el haz e elecrones el aceleraor, que será el puno one se colocan los elemenos someos al es en ese caso los superconensaores. En la foografía c se muesra la colocacón e los superconensaores urane el es e raacón y la oss mea que ha recbo caa uno e ellos. os parámeros el es e raacón faclaos por los écncos el ESA se muesran a connuacón: o o o o aacón e elecrones a 2 MeV Mega elecrón Volos Puno el haz raao: 3x3 cm2 4 horas e raacón. Doss oal e raacón:.6 Mra -2.3 Mra* *Mra mllones e ras una e raacón Meas espués e ser rraaos Se vuelven a realzar las msmas meas que en el puno 5..2 para comparar con las prmeras y observar los posbles efecos e egraacón esulaos Expermenales El esuo ha so llevao a cabo sobre las 5 muesras selecconaas ncalmene, pueno obener nformacón y meas e caa una e ellas. A connuacón se presenan los resulaos obenos para caa una e las muesras para los casos e nvel 2 y 3 e correne. as gráfcas azulaas corresponen a las meas anes e haber so rraao y las rojas a las meas e espués e recbr la oss raacón. En el caso e mea e capaca one se observan 4 curvas por gráfca, las curvas roja y azul son meas realzaas en cclos e escarga, y la moraa y la naranja son meas en cclo e carga. Ver las sguenes fguras: 3

32 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Muesra Maxwell 25F: 3 - I2 2.7A 2 - I22.7A [F] ES [mω] ES - ES - Ma Temperaura [º] Temperaure [º] a b Fg. 27: Meas realzaas a la muesra a 2.7A. a apaca frene a Tª. b ES frene a Tª. a b Fg. 28: Meas realzaas a la muesra a 4.9A. a apaca frene a Tª. b ES frene a Tª. En la mea e capaca se observan varacones máxmas enre el anes y el espués e unos.2f en el caso e ensayo a 4.9A y e.f en el caso e 2.7A. Esas varacones son menores el % en el prmer caso y el.5% en el seguno, y por ano se suponrán esprecables ya que es perfecamene asumble que enren enro e la ncerumbre el ssema e mea. El resulao en la mea e la ES es smlar al caso e la capaca, con varacones observaas e alreeor el %, que a oos los efecos se pueen conserar esprecables. 3

33 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Muesra 3 Maxwell F: Fg. 29: Meas realzaas a la muesra 3 a A. a apaca frene a Tª. b ES frene a Tª ES [m ] [F] a b 3 - I33.5A ES_anes ES_espues 4 a Temepraura [º] b Fg. 3: Meas realzaas a la muesra 3 a 3.5A. a apaca frene a Tª. b ES frene a Tª. En la mea e capaca se observan smnucones máxmas e ésa enre el anes y el espués e unos.2f en los os casos e ensayo. Esas varacones son e alreeor el 2%. Son lgeramene superores a las proucas en la muesra aneror, pero sguen seno muy bajas y asumble que enren enro e la ncerumbre el ssema e mea. El resulao en la mea e la ES es smlar al caso e la capaca, con varacones observaas e alreeor el 2% mω. 32

34 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Muesra 4 Nesscap F: a b Fg. 3: Meas realzaas a la muesra 4 a A. a apaca frene a Tª. b ES frene a Tª. [F] a b Fg. 32: Meas realzaas a la muesra 4 a 3.5A. a apaca frene a Tª. b ES frene a Tª. En la mea e capaca se observa que los casos e anes y espués esán práccamene solapaos para los os nveles e correne. Esas varacones son menores el %, y por ano se suponrán esprecables ya que es perfecamene asumble que enren enro e la ncerumbre el ssema e mea. En el caso e la mea e la ES, las varacones observaas máxmas son e alreeor el 2%, que una vez más se pueen conserar esprecables. 33

35 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Muesra 5 Panasonc F: a b Fg. 33: Meas realzaas a la muesra 5 a A. a apaca frene a Tª. b ES frene a Tª I ES_anes ES_espués [F] ES [m ] a Temperaura [º] b Fg. 34: Meas realzaas a la muesra 5 a 3.5A. a apaca frene a Tª. b ES frene a Tª. En las mecones e capaca se observan varacones máxmas enre el 2 y el 3%. Esas varacones son se suponrán esprecables ya que es asumble que enren enro e la ncerumbre el ssema e mea. El resulao en la mea e la ES el resulao e anes y espués es práccamene énco. 34

36 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 6- ONUSIONES Y ÍNEAS FUTUAS Se ha realzao el seño y consruccón e un ssema para la caracerzacón e superconensaores, ncluyeno sus res pares prncpales: elecrónca e poenca, ssema e conrol y ssema e aquscón y mea. El ssema señao es un ssema porál que realza la mecón e las caraceríscas e un superconensaor apaca y ES regsrano la emperaura el msmo, ya que esos parámeros son muy epenenes e ella. Aemás es capaz e realzar ensayos cíclcos e forma auónoma para su ulzacón en esuos e egraacón. Se ha fabrcao un proopo oalmene funconal que ha so verfcao con meas expermenales. Se ha realzao un esuo e superconensaores someos a raacón onzane. Se raa e una prmera sere e es e raacón con el objevo e valar su posble aplcacón en enornos raacvos. Se ha ulzao el ssema señao para realzar la mea e los parámeros e los superconensaores, ES y Tª a correne consane, con nveles normalzaos y con correnes nomnal y máxma e caa fabrcane. Ese esuo ha servo para eermnar que los superconensaores ensayaos son oleranes a la raacón e elecrones con unas oss comprenas enre y 2.3 Megaras, ya que no se han enconrao ferencas aprecables en sus caraceríscas ras ser someos a raacón. Por ano, por ahora no se ha enconrao nnguna lmacón e uso e esos sposvos en ese po e enornos. Tano el ssema e caracerzacón como el esuo e superconensaores someos a raacón, han so presenaos en os congresos nernaconales relaconaos con aceleraores e parículas [9] [2]. En la realzacón e oo ese rabajo se han aplcao écncas e moelao y conrol e converores elecróncos e poenca, conrol gal, seño e componenes magnécos, écncas e seño e PB, écncas aquscón e aos y raameno e señal, ec. Aemás e la ulzacón e herramenas e smulacón y programacón: Malab/Smulnk esarrollo el moelo el converor e poenca y cálculo y ajuse el conrolaor, Pspce, Psm smulacón el converor e poenca para verfcacón y ajuse e parámeros e seño y Vssm programacón el conrol el converor que se ha señao ulzano las herramenas anerores, aemás e la programacón e la máquna e esaos el ssema compleo, creacón e un nerfaz vsual e comuncacón con el usuaro, monorzacón y aquscón e aos. 35

37 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES íneas Fuuras: Ya esán planfcaos esuos más exhausvos, con oros pos e raacones y mayores oss, que sumaos al esuo ncal ya realzao, servrán para valar la ulzacón e esos sposvos en el aceleraor e parículas lneal, I. Se planea la realzacón e oros ensayos e comporameno y egraacón en cámara clmáca emperaura y humea conrolaas. Se planea la posble aapacón el ssema para realzar oro po e ensayos que no sean cíclcos a correne consane, como por ejemplo ensayos a poenca consane. Se planea la ulzacón el ssema para la realzacón e esuos e egraacón sobre oros sposvos e almacenameno e ala capaca baerías e lo, ec. 36

38 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES ANEXO A. MODEADO DE ONVETIDO A parr el esquema el converor mosrao en la Fg. 4, se va a calcular la funcón e ransferenca G s para los os moos e funconameno el converor. A- Buck arga e superconensaor Para obener la funcón e ransferenca el moelo promeao e pequeña señal se ulzarán las ecuacones e esao el ssema. Se obenen las ecuacones e esao para caa uno e los moos e funconameno el converor y se calculan las marces e esao promeaas urane un cclo e conmuacón. Poserormene se le aplcará una perurbacón respeco al puno e operacón para obener la funcón e ransferenca e pequeña señal [4] [5]. ESTADO: T ON / T2 OFF Fg. 35: rcuo equvalene para T ON y T2 OFF Ecuacones e esao: v v V D ON v S MOS v VD ON S MOS 37

39 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 38 ESTADO2: T2 ON / T OFF c I MOS Fg. 36: rcuo equvalene para T2 ON y T OFF Ecuacones e esao: v v MOS MOS OFF v v OFF MODEO POMEDIADO: Se promean las ecuacones anerores urane un cclo e conmuacón. El esao urane D y el esao2 urane -DD, seno por ano un cclo compleo. OFF ON P ON OFF 2 2 ' ' ' ' ' ' ' ' 2 A A A P P OFF ON ' 2 b b b D P V v v

40 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES Se aplcan perurbacones e pequeña señal: v D ˆ V I vˆ ˆ Ecuacones promeaas e pequeña señal: v P v V D v Se elmnan las consanes o valores esaconaros: v P I ˆ V vˆ I ˆ P ˆ ˆ vˆ V D P ˆ ˆ ˆ V D ˆ Aplcano la ransformaa e aplace: s P s ˆ ˆ s ˆ s s V s ˆ 2 D Funcón e ransferenca conrol - correne e sala: G ˆ s s ˆ s s 2 sv D s p s s ˆ s sv ˆ s p D D ˆ V D A2- Boos Descarga e superconensaor ESTADO: T2 ON / T OFF Fg. 37: rcuo equvalene para T2 ON y T OFF Ecuacones e esao: v v MOS ON MOS 39

41 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 4 v v ON ESTADO2: T ON / T2 OFF Fg. 38: rcuo equvalene para T ON y T2 OFF Ecuacones e esao: v V v MOS S D MOS S OFF D OFF V v v MODEO POMEDIADO: Se consera que T2 conuce urane el empo D y T conuce en el empo D. OFF ON P ON OFF 2 2 ' ' ' ' ' ' ' ' 2 A A A P P OFF ON ' ' 2 b b b

42 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES 4 D P V v v ' Se aplcan perurbacones e pequeña señal: ˆ ˆ ˆ I v V v D Ecuacones promeaas e pequeña señal: ˆ ˆ' ' ˆ ˆ ' I v V D v V I v V v D P D P Se elmnan las consanes o valores esaconaros: D P D P V v V v ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ Aplcano la ransformaa e aplace: ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ 2 s sv s s s V s s s s s s D p D P Funcón e ransferenca conrol - correne e sala: ˆ ˆ 2 p D s s sv s s s G a funcón e ransferenca obena es la msma que en el caso el moo reucor. Eso es ebo a que la señal a conrolar es la msma en oo momeno. De esa forma se smplfcarán los cálculos el conrolaor.

43 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES ANEXO B. SOFTWAE DE ONTO, MONITOIZAIÓN Y ADQUISIIÓN DE DATOS Para la realzacón e esa pare se ha ulzao el sofware Vssm, que esá recomenao por Texas Insrumens para ulzar en conjuno con algunos e sus ssemas e esarrollo. Vssm es báscamene un sofware e programacón/smulacón gráfca smlar a Smulnk, y que perme generar cógo complable para los mcroconrolaores e Texas Insrumens, y escargarlo recamene sobre la placa e esarrollo. Aemás perme la comuncacón en empo real con el mcroconrolaor programao, para la verfcacón y monorzacón el ssema, y para la aquscón e aos ese un P. El sofware que se ha programao se ve en os pares os fcheros snos claramene ferencaas: una pare e programacón el mcroconrolaor conrol el converor e poenca y conrol el ssema e caracerzacón en general y ora pare que negra en un nerfaz la confguracón, monorzacón y aquscón e aos el ssema. B- Programacón el conrol a pare e programacón el conrol posee a su vez oras os pares ferencaas: El lazo e conrol el converor D/D lazo rápo y el lazo e conrol el ssema global máquna e esaos, lazo leno. azo e conrol rápo: Fg. 39: azo e conrol rápo muesreo AD y conrol converor D/D 42

44 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES En la fgura aneror se puee ver la secuenca e areas que se realzan en el lazo rápo. Esa pare el conrol va sncronzaa con la señal rangular el generaor PWM. - uano el conaor el PWM llega a su valor máxmo pero se acva una nerrupcón one se ejecua ese cógo. 2- Se muesrean oas las enraas analógcas confguraas. 3- En paralelo, se calcula el nuevo cclo e rabajo con un regulaor PI y se aplcan flros gales a las señales e correne y ensón el superconensaor. 4- uano el conaor el PWM llega vuelve a cero se cargan los nuevos valores e cclo e rabajo calculaos. 5- Se enra en espera hasa nueva nerrupcón para ncar e nuevo la secuenca e conrol. azo e conrol leno: Fg. 4: azo e conrol leno 43

45 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES El lazo e conrol leno se ejecua a una frecuenca e 5kHz. Funcona mucho más leno porque es el que más areas realza y porque no exse necesa e ejecuarse a mayor veloca. ealza las sguenes areas: - Inco: ee los parámeros e confguracón que se le nquen en la panalla e vsualzacón el P, y manene la carga el móulo e superconensaores por encma e V. uano recbe la señal el boón UN el nerfaz P, se arranca el ensayo en el que se ejecuan 3 areas en paralelo. Se volverá al esao e nco en cualquer momeno que se esacve el boón UN o se acve alguna e las alarmas. Esas alarmas ncluyen: sobreensones en superconensaor ensayao y en móulo S, y sobreemperaura en la elecrónca el converor o en el superconensaor. - onrol carga/escarga y mea ES: esa es la area prncpal en el bloque e ensayo: o argano superconensaor: arga el valor e correne e ensayo en la varable e referenca y acva las salas el moulaor PWM. uano alcanza la ensón máxma e ensayo que se ha confgurao, pasa al sguene esao. o Superconensaor cargao: Desacva las salas PWM y permanece en ese esao urane el empo e paraa que se haya confgurao. o Mea ES: ealza la mea e ensón y correne en parao se me el cero e la correne porque puee exsr alguna pequeña esvacón u offse. Seguamene se carga el valor e correne e escarga en la varable e referenca y acva las salas PWM nuevamene. uano pasan 3ms se sala al sguene esao. o Mea ES2: ealza la mea e ensón y correne 3ms espués el arranque e la escarga. Se calcula el valor e la ES: V ES Ω I ES ES V I ES2 ES2 o Descargano superconensaor. Se manene en esao e escarga hasa que se alcanza la ensón mínma e ensayo que se haya confgurao, y vuelve al esao e carga. - Mea e capaca: En esa area se men los empos e carga enre las ensones e mea e capaca que se hayan confgurao para obener el valor e capaca V cap y V cap2 son por norma.4*v nomnal y.8*v nomnal, o Inco e mea e capaca: uano se supera la ensón V cap ensón baja e mea se pasa al sguene esao. o Mea en arga : Se acva conaor para mer el empo e carga. uano se supera la ensón V cap2 ensón ala e mea se pasa al sguene esao. 44

46 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES o o Mea en arga 2: Se guara el valor el conaor y se calcula la capaca en carga e la sguene forma: V I AGA I AGA V V cap2 cap Poserormene se realza la msma secuenca pero en escarga, y se vuelve a ncar el cclo. - arga móulo S: En esa area se manene la carga el móulo e superconensaores por encma e V. S se eeca que la ensón es nferor a V, se acva el relé que coneca el crcuo e carga. S la ensón supera los 3V, se esacva. B2- Inerfaz e confguracón y vsualzacón En la fgura 36 se muesra el nerfaz ulzao para realzar la confguracón el ssema, monorzacón y aquscón e aos. os aos e la fgura corresponen a una mea expermenal. Fg. 4: Inerfaz e confguracón, monorzacón y aquscón e aos. Daos meos corresponenes a superconensaor Nesscap 62F onroles pare zquera e la magen: - Boón UN : envía oren e ncar el ensayo. 45

47 SISTEMA DE ENSAYO Y AATEIZAIÓN DE SUPEONDENSADOES - arga_ak : habla la carga el móulo e superconensaores anes e comenzar el ensayo. - guara_gráfcas : habla el guarao e los aos en el P cclos e ensón, correne y emperauras, y las meas e capaca y ES e caa unos e los cclos - Bloque onfguracón e parámeros e ensayo : en ese bloque se confguran los snos parámeros e ensayo: o Número e cclos y empo e ensayo. o Nveles e ensón máxma y mínma. o orrene en carga y escarga. o Tempo e paraa ras la carga. o Tensones e referenca para mea e capaca. - Bloque Seleccón e rama color vere: en ese menú esplegable se seleccona el rango e correnes el ensayo que se va a realzar. En funcón el rango elego, se selecconará la rama que le correspona y se cargarán los valores el conrolaor ganancas proporconal e negral aecuaos para esa rama. Incaores gales pare cenral e la magen: Por oren e arrba haca abajo se muesran las sguenes meas: - orrene acual por el superconensaor. - Tensón el superconensaor. - Úlma mea e ES. - Úlma mea e capaca. - orrene mea en la úlma mea e ES ese valor se ulza para verfcar que el converor esá responeno ben al ransoro e arranque. - Número e cclos e carga/escarga realzaos - Tempo e ensayo ranscurro - Tensón el móulo e superconensaores - Sensor e emperaura sensor conecao al superconensaor ensayao - Sensor e emperaura 2 sensor e mea e emperaura ambene Gráfcas pare erecha: Muesran en empo real la evolucón e la correne y la ensón e ensayo. 46