Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns Alba

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1 Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible Carlos Bordóns Alba Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Jornadas de Ingeniería de Control Madrid, mayo de 2007

2 Índice 1. Motivación 2. Modelo de pila PEM 3. Estrategias de control de pilas PEM 4. Sistemas basados en pilas de combustible Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

3 1. Motivación Sistema electroquímico que genera electricidad a partir de H 2 Sector de gran desarrollo en los últimos años Muchos campos abiertos, relacionados con materiales, fabricación, mantenimiento, etc. siendo el control automático uno de los más importantes Control de la pila: Cómo operar la pila de manera segura y eficiente Una buena regulación de variables (presiones, caudales) es crucial para la funcionalidad y vida útil de la pila Control de sistemas que contienen una pila La pila forma parte de un sistema híbrido Conexión/desconexión y generación de una potencia deseada Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

4 Pilas PEM Existen diversos tipos de pilas PEM: interés para automoción y generación estacionaria Alimentadas con H2 (directamente o reformador) Subproductos: agua y calor Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

5 2. Modelo de pila PEM Ecuaciones fluido dinámicas Característica eléctro-química Efectos térmicos Agua Gases Desarrollo y validación experimental de un modelo matemático para pilas de combustible tipo PEM Alcance del modelo: Régimen permanente Transitorios: cargas variables, flooding, purgas en el ánodo Complejidad matemática: Gran número de ecuaciones (100 aprox.), aunque la mayoría de carácter algebraico (11 estados en total) Implementación abordable computacionalmente, resultando un modelo muy completo orientado principalmente al control Software de simulación realizado en MATLAB Simulink

6 Ecuaciones fluido-dinámicas: Tiempos característicos del orden de 10-1 s. Se incluyen las dinámicas de condensación y evaporación del agua Fluidos implicados: oxígeno, hidrógeno, agua líquida y vapor Se consideran 5 volúmenes de control: - Canales de cátodo y ánodo - Conductos de difusión de gases de cátodo y ánodo (GDLs) - Membrana Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

7 Ecuaciones electroquímicas Tiempos característicos del orden de 10-9 s, por lo que se obvian las dinámicas Morfología de las curvas de polarización - Caídas por activación (Vact) - Caídas óhmicas (Vohm) - Caídas por concentración (Vconc) Factores que influyen en las curvas de polarización: Presiones de los gases reaccionantes (oxígeno e hidrógeno) Temperatura Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

8 Ajuste de la curva de polarización Ecuaciones electroquímicas: Ecuación que modela las curvas dependiente de 8 parámetros Algoritmo de búsqueda de los parámetros basado en 4 puntos experimentales Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

9 Cantidad de agua líquida condensada en los canales de difusión de gases (encharcamiento o flooding, evacuándose el agua mediante purgas) Agua y calor Ecuaciones térmicas: Modelo construido a partir de un balance energético del proceso Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

10 Banco de ensayos - Pila de combustible Nexa de la compañía Ballard kw de potencia máxima - Autohumidificada - Refrigerada por aire - Configuración en dead-end Usada por muchos grupo de investigación (Benchmark) Se incluyen también en el modelo los equipos auxiliares propios de esta configuración Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

11 Datos de entrada Resultados Model development and validation of a PEM benchmark. A.J. Del Real, A. Arce and C. Bordons. Journal of Power Sources, 2007 Salidas del Modelo Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

12 3. Estrategias de control de pilas PEM Necesidad: Debe existir un sistema de control para proporcionar aire y combustible necesarios para suministrar la potencia requerida, eliminar los subproductos y el calor producidos en las células y convertir la potencia DC no regulada en regulada o en AC de calidad para inyección en red Control de alto nivel: Integra el acondicionamiento de potencia, almacenamiento y procesamiento de fuel (en su caso) Control a bajo nivel: Aire/combustible, Tª y humedad Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

13 Control Objetivos: Subsistemas: Respuesta transitoria rápida Caudales de reactivos Arranques y paradas ordenados Robustez y adaptación a la potencia requerida Gestión del calor Actuaciones: Gestión del agua Caudal de hidrógeno (válvula) Gestión de Caudal de oxígeno (compresor) potencia Refrigeración (circuito de agua con ventilador) Procesamiento Humidificador (bomba) del combustible (si no es H Temperatura 2 directamente) Variables a controlar: Gases Temperatura Hidratación de la membrana ACC06, ECC 07, CDC 07 Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

14 Acciones de control sobre la pila Acciones de control Gestión de potencia Caudal H2 Hidrógeno Humidificación Caudal aire Refrigeración Compresor Humidificador Agua Separador Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

15 Caudales de reactivos Objetivo: proporcionar de forma rápida los caudales de reactivos necesarios, asegurando respuesta transitoria rápida, operación segura y minimizando el consumo auxiliar Se consigue aportando el caudal necesario según el requerimiento de potencia Temas: La presión en el ánodo ligeramente más alta que en el cátodo. Control por ratio (muy rápido) para que la presión de ánodo siga a la del cátodo. Mantener el exceso de O 2. Peligro de Starvation. Controlar el exceso de oxígeno en el cátodo (proporción entre oxígeno que se suministra y el que se usa) λ = O2 O2, in O2, react Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns, W W

16 Diversas estrategias propuestas Feedforward estático Feedforward dinámico LQ Objetivo: evitar starvation λ o2 min. Restricción física en los transitorios Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

17 Estrategias de Control Predictivo MPC puede ser un buen candidato para controlar pilas, minimizando diversos criterios de control Se presenta una estrategia que tiene en cuenta las perturbaciones medibles y las restricciones de operación Se analizan 3 posibles criterios y se presentan las soluciones basadas en MPC El controlador manipula la alimentación de aire y combustible actuando sobre el voltaje del compresor y la válvula de H2 Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

18 Objetivos de control Compressor voltage H 2 Valve Ist Fuel Cell System Vst Pst Seguimiento del voltaje de salida Evitar Starvation Máxima eficiencia λ o2 λ = o2 W W o2, in o2, reacted Exceso de oxígeno Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

19 Análisis en estacionario Evitar Starvation Seguimiento de voltaje Máxima eficiencia Análisis de los criterios de control Usar MPC para satisfacer estos 3 objetivos (por separado) Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

20 Diagramas de bloques Evitar Starvation Constante Máxima Eficiencia LUT Seguimiento de voltaje Constante Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

21 Modelo para control Obtención de un modelo de control para diseñar el controlador explícito con las siguientes entradas salidas y perturbaciones. Estructura de los modelos lineales para las distintas estrategias de control. Prevención de la Starvation Máxima Eficiencia Control de la tensión Comparativa del modelo no lineal completo y el linealizado Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

22 MPC con restricciones Sujeto a: Restricción en la entrada por límites físicos Restricción en la salida impuesta Se tienen en cuenta las perturbaciones medibles (Intensidad) para hacer la predicción de la salida: efecto feedforward Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

23 Perturbaciones medibles Cambio en la intensidad Sin esto la entrada (voltaje del compresor) puede tomar valores no factibles Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

24 Efecto de parámetros de sintonía y restricciones Restricciones Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

25 Comparación de los 3 criterios Valor bajo Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

26 Problemática de aplicación Tiempo de muestreo 8 ms Hay que resolver un QP Solución: Control predictivo explícito (Bemporad et al., 2004) Cálculo off-line de la señal de control Ley lineal por tramos Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

27 Control predictivo explícito con restricciones Formulación del GPC incluyendo un vector x que tiene en cuenta los valores de la salidas, entradas y perturbaciones actuales y pasadas Las señales de control óptimas se calculan off-line El valor de la señal de control on-line se obtiene según estas ecuaciones Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

28 Resultados y tiempo de ejecución Resultados del control explícito para el caso de máxima eficiencia con un horizonte de control de 3. Problema: si el horizonte es muy grande pueden salir muchas regiones de búsqueda Tabla con la comparativa de tiempos de ejecución. Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

29 4. Sistemas basados en pilas de combustible Sistemasde generación eléctrica con almacenamiento Interés: adecuar la oferta a la demanda con almacenamiento intermedio en forma de H2 (vector energético) Energías renovables, capacidad de la red Vehículoshíbridos: Alimentados con pilas y baterías (o supercondensadores) Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

30 Sistema eléctrico con 2 generadores y almacenamiento Varios componentes interconectados Objetivo: Generar la potencia deseada (criterios económicos) actuando sobre el control de la pila y el electrolizador: sistemas de energías renovables sistemas aislados) Mantener unos niveles de almacenamiento Se usan modelos linealizados de los componentes rad P av s Pg SP P e P fc E H 2 H 2 FC h Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

31 Resolución mediante MPC para sistemas híbridos Modelo híbrido : Automata Restricciones: Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

32 MPC con restricciones Se ha usado HYSDEL package para traducir el modelo a MLD Función objetivo Sujeto a restricciones dinámicas y de operación Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

33 Resultados en simulación Restricciones en los tiempos de encendido y apagado de la pila CDC h (Kg) p av (W) p ref (W) x p g p ref x time (s) x 10 4 p e (W) p fc fc s x x x time (s) x 10 4 Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

34 Control de vehículos híbridos Battery DC/ DC Fuel Cell DC/ DC DC Link DC/ DC Electric Motor Auxiliary Units Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

35 Descripción del problema El sistema de control debe satisfacer la demanda del motor eléctrico usando dos fuentes de potencia: Pila PEM (fuente primaria) Batería: Para picos de potencia (aceleración) Almacenar energía durante el frenando Permite optimizar la eficiencia del vehículo Control en tiempo real de la distribución de potencia entre la pila de combustible y el dispositivo de almacenamiento para optimizar el consumo de combustible manteniendo las prestaciones del vehículo Convertidores de potencia La pila lleva su controlador local Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

36 Dinámica del sistema La dinámica más lenta es la de los fluidos en el interior de la pila Modo de operación (discreto) Potencia suministrada por la batería (+ ó -) Case study Potencia suministrada Al motor eléctrico Potencia de la pila Existen 7 modos de operación, con distintas dinámicas Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

37 Control Cost Function Driver s request Conversion Pref Control Pfc ON/OFF Pbat Fuel cell P DC Motor Torque Vehicle Acceleration Speed ON/OFF Battery Constraints Driver Restricciones: Potencia de la pila limitada (amplitud y velocidad), peligro de starvation La batería debe mantenerse cargada (frenado o pila) Tiempo de vida de la pila: evitar On/Off Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

38 Estrategia de control. MPC híbrido Weighting factor: penalize the use of the battery (which produces higher fuel consumption) encourage it (which could be dangerous) Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

39 Banco de pruebas Motor eléctrico de 4 kw Pila PEM de 5 kw Baterías propias H2 comprimido Proyecto Desarrollo de vehículo de baja firma infrarroja. INTA Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

40 Banco de pruebas Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

41 Motor eléctrico 68 kw Pila PEM de 50 kw Batería NiMH de 12 kw Proyecto Hercules Hynergreen CC MM Solucar A. Energía Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

42 Conclusiones Es un campo abierto y multidisciplinar Modelado: simulador disponible Control de la pila en sí: El criterio de máxima eficiencia es el más adecuado El MPC considera perturbaciones medibles y restricciones El transitorio se puede mejorar usando dispositivos de almacenamiento (supercondensadores o baterías) El tiempo de cálculo es adecuado si se usa una formulación explícita Sistemas con varios componentes: control híbrido Muchos temas : Estrategias de control Implementación Integración Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible. Carlos Bordóns,

43 Modelado y Control de Sistemas Basados en Pilas de Combustible Carlos Bordóns Alba Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Jornadas de Ingeniería de Control Madrid, mayo de 2007