Modelado y simulación HIL (hardware-in-the-loop) de un sistema pila de combustible - batería

Abstract

La situación energética actual y futura está condicionada por las limitadas reservas de combustibles fósiles. Esta situación energética afecta especialmente al sector transportes, ya que es el mayor consumidor de energía. Este hecho, junto con la creciente preocupación por el medioambiente, impulsa la investigación y desarrollo de otras fuentes de energía. En el sector transportes, el motor térmico propulsado por combustible puede ser sustituido por sistemas electroquímicos como la pila de combustible, las baterías, o ultracondensadores. El éxito en la implantación a gran escala de estos sistemas depende de la superación de problemas que se presentan actualmente con el almacenamiento y suministro del hidrógeno, el coste y la autonomía. En esta Tesis de Master se aborda el modelado dinámico y simulación de la pila de combustible de baja temperatura PEM y la batería de plomo ácido VRLA. El modelado de ambos sistemas puede ser abordado desde diferentes puntos de vista, como el fluido térmico, electroquímico, eléctrico, etc. debido al carácter multidisplinar de estas tecnologías. En este trabajo se realiza un modelado eléctrico basado en medidas experimentales. Los ensayos llevados a cabo son de interrupción de corriente y de espectroscopia de la impedancia. Además del modelado y simulación de la pila de combustible y batería, se desarrolla una plataforma de ensayo de sistemas de energía. Esta plataforma de ensayo es de simulación HIL (hardware in the loop). Esta metodología de simulación es muy utilizada en el sector aerospacial y automovilístico para la prueba de unidades de control o simulación de fallos, además de reducir el coste, simplificar la instalación, y permitir mayor flexibilidad. Es por ello, que se desarrolla una simulación HIL, en la que el sistema hardware es la batería y los sistemas simulados son la pila de combustible y la dinámica vehicular. Estos dos sistemas simulados interaccionan a través de señales de potencia con la batería real ya que la simulación se realiza a través de otros equipos que simulan el comportamiento de pila de combustible y dinámica vehicular.

The current and future energetic situation is conditioned by the limited fossil fuel reserves. This energetic situation affects specially the transportation sector, due to its higher energy consumption. This fact, as well as the increasing environmental concern impulses the research and development of alternative energy sources. In the transportation sector, the internal combustion engine propelled by fossil fuel can be substituted by electrochemical systems, such as the fuel cell, batteries or ultracapacitors. The success for carrying out the implementation at large scale depends on the ability to solve current problems of hydrogen storage and supply, cost and range. In this Master Thesis, the dynamic model and simulation of a low temperature fuel cell PEM and a lead acid battery VRLA is accomplished. The modelling of both systems can be tackled from different points of view, such as fluid thermal, electrochemical, electric, etc. due to the multi disciplinary nature of these technologies. In this thesis, an electric model based on experimental work is presented for both systems. The tests carried out are current interruption and electrochemical impedance spectroscopy tests. Apart from the modelling and simulation of fuel cell and battery, a test bench for energy sources is developed. This test bench is a hardware in the loop (HIL) simulation. This methodology is extensively used in the aero spatial and automotive sectors to carry out test on electronic control units or fault simulations, reducing cost, simplifying the installation required and allowing a greater flexibility. Therefore, a HIL simulation is performed, taking the battery as the hardware system and the fuel cell and vehicle dynamics as the simulated systems. This two simulated systems interact through power signals with the real battery as the simulation of these systems are done through other equipments which simulate the behaviour of the fuel cell and the vehicle dynamics.