ESTUDIO COMPARATIVO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN UN VEHÍCULO HÍBRIDO CON PILA DE COMBUSTIBLE David Marcos, Carlos Bordóns y Miguel Ángel Ridao Depto. Ingeniería de Sistemas y Automática. Universidad de Sevilla. dmarcos@cartuja.us.es, bordons@esi.us.es, ridao@esi.us.es Resumen Los vehículos eléctricos híbridos con pila de combustible son actualmente un campo de investigación y desarrollo muy activo debido a la necesidad de reducir las emisiones nocivas, así como lo de incrementar su eficiencia. La utilización de sistemas de almacenamiento de energía produce importantes ventajas, como son la mejora de los transitorios de potencia y la posibilidad de utilizar frenado regenerativo. En este trabajo se comparan los dos sistemas más utilizados en este tipo de vehículos, las baterías y los supercondensadores y su aplicación a un vehículo concreto desarrollado en el Proyecto Hércules. Palabras clave: Pilas de combustible, baterías, supercondensadores, vehículos híbridos, control predictivo 1 Introducción En los últimos años, las principales compañías de automoción y centros de investigación han considerado las pilas de combustible y el hidrógeno como una posible alternativa para sustituir a los motores de combustión y los combustible fósiles en su aplicación a los sistemas de transporte. El objetivo del Proyecto Hércules [6],[1] es el diseño y construcción de un vehículo que utilice hidrógeno obtenido a partir de energía solar como combustible. Dicho proyecto también ha contemplado la construcción de una estación de servicio que proporciona hidrógeno obtenido con la utilización de distintos tipos de paneles solares. Las pilas de combustibles en un vehículo no pueden ser utilizadas de forma adecuada sin sistemas de almecenamiento de energía [3]. Estos sistemas de almacenemiento permiten por un lado que se suavice la demanda de potencia a la pila, reduciendo su degradacíón, mientras que por otro permite almecenar la energía proveniente del frenado regenerativo. Finalmente, permiten alimentar los sistemas auxiliares de la pila y el vehículo durante el arranque de ésta. Figura 1: Vehículo e hidrogenera Hércules. Los dos sistemas de almacenamiento más comunes en este tipo de vehículos son las baterías y los supercondensadores. En este trabajo se estudia mediante simulación el funcionamiento de estos sistemas de almacenemiento en vehículos con pila de combustible, analizándose de igual modo, la utilización conjunta de ambos tipos de elementos. Para evaluar las distintas alternativas se ha utilizado una estrategia de control predictivo [2] para la gestión de potencia, que debe calcular la potencia a suministrar por cada una de las fuentes (pila, baterías o supercondensadores) para satisfacer la potencia demandada por el conductor, teniendo en cuenta las restricciones operativas de funcionamiento. 2 Descripción del Vehículo Hércules y modelos El sistema de potencia del vehículo Hércules se muestra en la Figura 2. La pila de combustible y los sistemas de almacenamiento de energía alimentan un motor eléctrico mediante convertidores de potencia. El convertidor que conecta la pila de combustible con el bus DC es unidireccional, mientras que los demás son bidireccionales, para permitir la carga y descarga de estos elementos y el frenado regenerativo. Los principales sistemas del vehículo Hércules son:
Motor: Motor eléctrico trifásico de 65 kw. Pila de combustible: Pila tipo PEM de 56 kw, fabricada por Nuvera. Baterías: 4 Módulos en serie 1, compuestos cada uno por 13 baterías de ión litio de 3 7 V, modelo Kokam SLPB. predictivo. Las variables manipuladas son las potencias entregadas o absorbidas por todos los dispositivos, así como la potencia disipada a la hora de frenar el coche, en caso de que los sistemas de almacenamiento no fueran capaces de absorberla por completo (figura 3). Supercondensadores: 2 módulos 2 en paralelo de 126 condensadores Maxwell BCAP 2000 montados en serie. Convertidores: Convertidores de potencia tipo boost o buck/boost. Bus de continua: 380 V. Inversor: Inversor trifásico. Figura 3: Modelo del sistema. Los distintos modelos han sido implementados en Simulink, mientras que para el controlador predictivo se ha utilizado la herramienta MPC Matlab Simulink Toolbox. 3 Evaluación de sistemas de almacenamiento de energía Figura 2: Esuqema general del sistema. Como se indicó anteriormente, el estudio presentado en este trabajo se ha realizado en simulación. En relación a los modelos utilizados, las baterías han sido modeladas a partir de su datasheet, como se describe en [4]. Los supercondensadores se modelaron a partir de las ecuaciones básicas de comprotamiento de un condensador, y del datasheet de Maxwell. El modelo de la pila se tomó de [7]. Por otra parte, para el modelo del motor eléctrico se ha supuesto el comportamiento de un sistema de primer orden, con una constante de tiempo de 0 1s. Finalmente, los modelos directo e inverso del coche se tomaron de [7] y [5]. La respuesta de los convertidores de potencia se supone mucho más rápida que la del resto de dispositivos, por lo que no ha sido necesaria la inclusión de un modelo de este dispositivo. El modelo del vehículo tiene como entrada el ciclo de conducción. A partir del mismo se calcula la potencia que habría que suministrar al vehículo para alcanzar la velocidad requerida. La potencia demandada por el vehículo, así como el estado de carga de las baterías y/o supercondensadores son las referencias para el controlador 1 Este número cambiará si baterías y SC son usados al mismo 2ídem tiempo. nota anterior. 3.1 Descripción general Para las simulaciones se ha usado el ciclo NEDC, consistente en cuatro ciclos ECE-15, seguidos de un EUDC. NEDC es el ciclo estándar más utilizado en la utomoción. La referencia de velocidad a seguir se puede ver en la figura 4. Figura 4: Ciclo NEDC. El modelo inverso se encarga de calcular la referencia de potencia para el sistema (figura 5). El objetivo del controlador es seguir la referencia, minimizando el consumo de hidrógeno. Se da por supuesto que el vehículo decelera tan rápido como sea necesario. Si el sistema de almacenamiento no fuese capaz de absorver toda la potencia, se recurriría al freno hidráulico. Consecuentemente, a la hora de interpretar la bondad del controlador, el error en la salida sólo se tendrá en cuenta cuando la potencia es menor de la requerida.
3.3 Baterías. Figura 5: Referencia de potencia. Este error (potencia) será integrado, y de esta manera se calculará la energía que el sistema no ha sido capaz de proporcionar al motor. Dicha energía será comparada con la energía total que ha consumido el motor. Este parámetro será útil para comparar las distintas soluciones. En las siguientes secciones se decriben los experimentos realizados, así como los resultados obtenidos. 3.2 Sin sistema de almacenamiento. En esta sección se evalúa el sistema cuando el sistema de almacenamiento de energía está compuesto únicamente por las baterías referidas en la sección 2. Para la evaluación de este sistema, especialmente para la estimación del consumo de hidrógeno es necesario tener en cuenta la diferencia entre el estado inicial de carga y el estado final, es decir la energía neta almacenada o sacada de la batería durante la ejecución del ciclo de conducción. Cuantificar esta energía no es sencillo, por lo que para considerar situaciones comparables con la establecida en el apartado anterior, se hará que el estado de carga (SOC) inicial y final sean aproximadamente iguales. Si se realizan un número suficiente de ciclos NEDC consecutivos (figura 7), se obtiene que para los últimos ciclos el SOC es aproximadamente el mismo al principio y al final de éste (Figura 8). Un ciclo con estas características es el que se va a evaluar. En primer lugar, se evaluará el sistema cuando no se utiliza ningún sistema de almacenemiento, por lo que la pila de combustible deberá satisfacer toda la demanda de potencia del motor. Tal como se indicó anteriormente, esta situación no es deseable y no su utiliza en sistemas reales. En este trabajo se incluye simplemente como comparación para el resto de las situaciones. Los resultados pueden verse en la figura 6 y la tabla 1. Figura 7: SOC baterías para 20 ciclos NEDC. Figura 6: Gestión de potencia del sistema sin dispositivo de almacenamiento. Dispositivo Error(%) Consumo H 2 (kg) Ninguno 0 99% 0 25456 Figura 8: NEDC. SOC baterías para el último ciclo Tabla 1: Resultados para el sistema sin dospositivo de almacenamiento Se han probado varias simulaciones para distintos valores de referencia de potencia de la pila de combustible. Cuanto mayor sea la potencia que dé la
pila, mayor será el consumo instantáneo. Sin embargo, a medida que este valor se acerca a 20 kw, la eficiencia de la pila aumenta, como se puede ver en la gráfica 9. Figura 11: Baterías y pila con referencia de potencia de 5 kw. Figura 9: Curva de eficiencia de la pila de combustible. Para una potencia nominal de 5 kw se obtienen los resultados mostrados en las figuras 10 y 11. LOs resultados para distintas referencias de potencia de la pila, se sumarizan en la tabla 2. ya que una potencia inferior implicaría no sólo un rendimiento demasiado pobre, sino además que las membranas de la pila pudieran quedar dañadas. Sin embargo, no parece lógico que la pila genere esa potencia cuando el coche está parado o cuando está activo el frenado regenerativo. Para tener en cuenta estas circunstancias, se ha diseñado un algoritmo simple basado en reglas que permita parar la pila cuando el coche no esté en marcha, o en los casos en los que las baterías puedan moverlo por ellas mismas, y no estén excesivamente descargadas. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la pila no debe encenderse y apagarse continuamente, ya que algunos de sus componentes se deteriorarían rápidamente. Las reglas básicas que gobiernan el proceso de parada de la pila son: Si la pila está apagada, ésta se enciende si se cumplen todas las condiciones siguientes: SOC > 0 7. Figura 10: Baterías y pila con referencia de potencia de 5 kw. Pot. nominal (W) Error(%) Cons. H 2 (kg) 5000 1 07% 0 20035 8000 1 03% 0 20109 11000 0 92% 0 20734 14000 0 83% 0 21512 20000 0 75% 0 23291 Tabla 2: Resultados de simulaciones para distintas potencias nominales de la pila. El siguiente experimento se realiza considerando una modificación del algoritmo de gestión de potencia. En las simulaciones anteriores, la pila estaba funcionando de forma continua. De hecho existe una restricción que le impide bajar de 4kW., Velocidad < 50 km/h La pila ha estado apagada durante más de 5 minutos. Referencia < 13 kw Si la pila está encendida, ésta se apaga si se cumple alguna de las condiciones siguientes: SOC < 0 65. Velocidad > 55 km/h durante más de 5 segundos. Velocidad > 65 km/h La pila ha estado apagada durante más de 5 minutos. Referencia > 15 kw durante más de 5 segundos.
Referencia > 20 kw. Los resultados de la simulación incluyendo el algoritmo de parada para una referencia de 8 Kw. se muestran en las figuras 12 y 13, mientras que en la tabla (tabla 3)se muestran los consumos y errores en satisfacer la potencia demandadda para distintas referencias de potencia de la pila. resultados cuando la pila funciona de forma continua, y a continuación se realizan las puebas con algoritmo de parada. Los resultados han sido los siguientes: Sin algoritmo de parada, y para una potencia de 5 kw, los resultados se muestran en la figuras 14 y 15). Figura 12: Baterías y pila con potencia nominal de 8 kw, con paradas. Figura 14: Supercondensadores y pila con potencia de 5 kw. Figura 13: Baterías y pila con potencia nominal de 8 kw, con paradas. Pot. nominal (W) Error(%) Cons. H 2 (kg) 5000 2 69% 0 18118 8000 2 73% 0 17416 11000 2 73% 0 17481 14000 2 73% 0 17569 20000 2 60% 0 18323 Tabla 3: Resultados de simulaciones para distintas potencias de la pila, con paradas. 3.4 Supercondensadores. Las simulaciones que se han hecho para los supercondensadores han sido análogas a las realizadas con las baterías. En primer lugar se obtienen los Figura 15: Supercondensadores y pila con referencia de 5 kw. Para distintas potencias de la pila se obtiene la siguiente tabla: Pot. nominal (W) Error(%) Cons. H 2 (kg) 5000 1 56% 0 20540 8000 1 49% 0 19857 11000 1 25% 0 20552 14000 1 13% 0 21637 17000 0 82% 0 22688 20000 0 71% 0 23759 Tabla 4: Resultados de simulaciones para distintas potencias de la pila. Debido a la distintas características de los supercondensadores frente a las baterías, las reglas de
apagado y puesta en marcha de la pila se han cambiado tal como se indica a continuación: Si la pila está apagada, ésta se enciende si se cumplen todas las condiciones siguientes: SOC > 0 7. Velocidad < 50 km/h La pila ha estado apagada durante más de 5 minutos. Referencia < 20 kw Si la pila está encendida, ésta se apaga si se cumple alguna de las condiciones siguientes: SOC < 0 55. Velocidad > 55 km/h durante más de 5 segundos. Velocidad > 65 km/h La pila ha estado apagada durante más de 5 minutos. Referencia > 40 kw durante más de 5 segundos. Referencia > 45 kw. Con el algoritmo de parada y para una potencia de 8 kw se obtienen los resultados mostrados en las figuras 16 y 17 y en la tabla 5 Figura 16: Supercondensadores y pila con referencia de 8 kw, con paradas. 3.5 Almacenamiento mixto de baterías y supercondensadores. Finalmente se ha simulado un sistema que tenga los dos tipos de dispositivos de almacenamiento: baterías y supercondensadores. De esta manera Figura 17: Supercondensadores y pila con referencia de 8 kw, con paradas. Potencia nominal (W) Error(%) Consumo H 2 (kg) 5000 5 43% 0 14313 8000 5 57% 0 13545 11000 5 37% 0 14328 14000 5 39% 0 14896 17000 5 04% 0 15728 Tabla 5: esultados de simulaciones para distintas potencias de la pila, con paradas. se pretende aprovechar la potencia de los superondensadores para suplir la falta de potencia de las baterías, y a su vez la capacidad de almacenamiento de las baterías para compensar la de los condensadores. Para evitar aumentar el volumen del sistema de almacenamiento, se han redimensionado los módulos de baterías y supercondensadores, de manera que la suma de ambos no supere el tamaño del primer diseño. Se han hecho tres simulaciones para evaluar el reparto entre de baterías y súper condensadores. Los tres se han hecho para una potencia de la pila de 8 kw: 75% Baterías; 25% SC. 39 baterías 63 SC 50% Baterías; 50% SC. 26 baterías 126 SC 25% Baterías; 75% SC. 13 baterías 189 SC Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 6 y para el caso de un sistema de almacenamiento compuesto por un 50% de batería y un 50% de supercondensadores en las figuras 18 y 19.
% Bat. (W) Error(%) Cons. H 2 (kg) 0.75% Bat. 0.84% 0.19160 0.50% Bat. 0.85% 0.19464 0.25% Bat. 1.00% 0.19962 Tabla 6: Resultados de simulaciones para distintas configuraciones baterías/sc. Figura 19: Supercondensadores, batería y pila con referencia de potencia de 8 kw. Figura 18: Supercondensadores, batería y pila con potencia de 8 kw. 4 Conclusiones. Los resultados de las simulaciones para los casos en que la pila opera de forma continua se resumen en la tabla 7 Disp. (W) Error(%) Cons. H 2 (kg) Ninguno 0 99% 0 25456 Baterías 0 75-1 07% 0 20035-0 23291 SC 0 71-1 56% 0 19857-0 23579 Ambos 0 84-1 00% 0 19160-0 19962 Tabla 7: Comparativa de simulaciones con distintos sistemas de almacenamiento. El error máximo es 1 56% por lo que en todos los casos se tiene una buena respuesta. Obviamente, el error es un parámetro sumamente importante, ya que el conductor del vehículo necesita que su demanda de potencia sea satisfecha. Cuando hay un único dispositivo de almacenamiento la respuesta mejora cuanto mayor sea la potencia de referencia a seguir de la pila. Sin embargo, como se puede ver en la figura 20, el consumo de hidrógeno se incrementa. El consumo de combustible es siempre menor que en el sistema sin almacenamiento. Sin embargo este parámetro varía mucho más que el error. De entre todas las simulaciones, las que han dado consumo más bajo han sido aquéllas en las que la potencia que seguía la pila era de 8 kw. Figura 20: Variación del error y el consumo para baterías y SC, según la potencia nominal de la pila. Para los casos de utilización mixta de baterías y supercondensadores los valores mejoran. Sin embargo esta mejora no es representativa, y en la realidad el uso de baterías y supercondensadores al mismo tiempo resulta mucho más complejo. Técnicamente no supondría sólo tener dos dispositivos de almacenamiento, sino también se tendría un convertidor más. Por otra parte, físicamente dos convertidores ocupan un espacio mayor y pesan más que uno solo de mayor potencia. Por este motivo, la utilización conjunta de ambos sistemas de almacenemiento no parece una solución adecuada para el vehículo analizado. En cuanto a la elección de baterías o supercondensadores por separado, según las simulaciones, no hay diferencias significativas. Sin embargo los supercondensadores pueden trabajar con mayores potencias, y con ellos sus convertidores. En consecuencia, los condensadores necesitarán unos convertidores mayores. No es sencillo determinar de forma general la diferencia de tamaño y peso entre los convertidores de las baterías y los supercondensadores, y entra fuera de este estudio, pero es un factor que puede decantar la elección hacia el uso de baterías. En los experimentos en los que se incluye el algoritmo de parada de la pila los consumos mejoran,
pero a cambio de un importante incremento del error (figura 21). [4] Gao, L., Liu, S. and Roger A. DougalDynamic Lithium-Ion Battery Model for System Simulation.. September 2002. [5] L. Guzella and A. Sciarretta, Vehicle Propulsion Systems: Introduction to Modeling and Optimization. Springer, 2005. [6] Proyecto Hércules. http://www.proyectohercules.es/ Figura 21: Variación del error y el consumo para baterías y SC, según la potencia nominal de la pila, con paradas. [7] Pérez Espinosa de los Monteros, A. Control de Potencia en Vehículos Híbridos con Pila de Combustible. July 2008. Para los supercondensadores el error incrementa hasta el 5%, lo que es demasiado elevado. Sin embargo, si el sistema de almacenamiento se compone sólo de baterías, el error es de hasta un 2 5%, que se podría considerar aceptable. El ahorro de combustible es de más del 30% comparado con el caso en el que la pila funciona de forma continua. Una posibilidad es permitir al usuario elegir entre ambos modos. De esta manera el conductor podría elegir entre mejores prestaciones o menor consumo, según sus necesidades en cada momento. Esta opción sería fácilmente implementable mediante un botón en el habitáculo, como ya tienen la mayor parte de los coches con sistemas de ahorro de combustible. Agradecimientos El Proyecto Hércules ha sido financiado por el Ministerio de Innovación y Ciencia, la Agencia de Innovación y Desarrollo de Andalucía de la Consejería de Economía, Innovación y Ciencia y la Corporación Tecnológica de Andalucía. El Proyecto ha sido desarrollado por los siguientes socios: Santana Motor, S.A., Hynergreen Technologies, S.A., Abengoa Solar, GreenPower, Carburos Metálicos, Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) and Asociación de Investigación y Cooperación Industrial de Andalucía (AICIA). Referencias [1] Arxer M. and L. Martínez, Hercules project: Contributing to the development of the hydrogen infraestructure, J. Power Sources, vol. 171, pp. 224 227, 2007. [2] E. Camacho and C. Bordons, Model Predictive Control. Springer, 2004. [3] C. Chan, The state of the art of electric hybrid and fuel cell vehicles, in Proceedings of the IEEE, vol. 95, no. 4, April 2007, pp. 704 718.