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Sistema de ensayo y caracterización de supercondensadores. Estudio de supercondensadores sometidos a radiación ionizante. Máster en Ingeniería Electrónica Curso 2012-2013 Noviembre 2013 Autor: Álvaro Pradas Luengo Director: Abelardo Martínez Iturbe Codirector: Fernando José Arteche González SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 1 RESUMEN Sistema de ensayo y caracterización de supercondensadores. Estudio de supercondensadores sometidos a radiación ionizante. En la actualidad, en los sistemas eléctricos de potencia se está empezando a implantar cada vez más el uso de supercondensadores con el fin de poder mejorar la gestión energética y así lograr optimizar el consumo energético de estos sistemas. En algunas aplicaciones se están utilizando como sustituto o complemento de baterías (sistemas híbridos baterías-supercondensadores). Los supercondensadores son condensadores electroquímicos de elevada capacidad cuyo valor puede llegar a más de varios miles de Faradios. Las principales ventajas sobre las baterías comunes son las siguientes: pueden manejar corrientes mucho más elevadas, son más eficientes, tienen una vida útil mucho mayor, reducido mantenimiento y la facilidad para monitorizar su carga. Debido a su reciente utilización no se tiene gran conocimiento sobre el funcionamiento de estos dispositivos en distintos entornos, su vida útil, degradación, etc. En este Trabajo Fin de Máster (TFM) se propone el diseño de un sistema para caracterización de supercondensadores que deberá determinar de forma precisa sus parámetros principales: capacidad y resistencia serie equivalente (ESR) y su degradación a lo largo del tiempo. El núcleo del sistema será un convertidor electrónico de potencia que permitirá cargar y descargar en corriente continua los supercondensadores sometidos a ensayo. El sistema será totalmente configurable en cuanto a niveles de corriente, niveles de tensión y tiempo de ensayo y deberá poder operar de forma autónoma. Los problemas que se abordan en este TFM son principalmente: - El diseño completo de un convertidor electrónico que permita corrientes de carga/descarga de hasta 50A, con un rizado de corriente muy bajo. - El diseño del control tanto del convertidor como del sistema global por medio de un microcontrolador. - Diseño de un sistema preciso de medición de tensión, corriente y temperatura, y monitorización en tiempo real. - Validación del sistema con pruebas experimentales. A fin de poder demostrar las capacidades del sistema diseñado, se va a realizar la caracterización de supercondensadores sometidos a radiación ionizante. Para lo cual se procederá a determinar los principales parámetros de un supercondensador antes y después de haberse sometido a una determinada dosis de radiación ionizante (electrones). Estos estudios forman parte de los análisis previos del proyecto del futuro acelerador de partículas lineal, “International Linear Collider” (ILC) [21] y han sido financiados parcialmente a través del proyecto del Plan Nacional de Investigación FPA – 2010 – 22163. ”DET4HEP: I+D en detectores para futuros Colisionadores”. Igualmente parte de este trabajo se ha realizado en colaboración con el Instituto de Microelectronica de Barcelona (IMB-CNMCSIC), Instituto de Física de Cantabria (IFCA) y la universidad de Bonn. SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 2 ÍNDICE 1INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .................................................................................................... 3 1.1I NTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 3 1.2O BJETIVOS DEL TFM ................................................................................................................... 3 1.3S UPERCONDENSADORES . C ARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES ....................................................... 4 1.4C ARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES ............................................................................ 6 2DISEÑO DEL SISTEMA .................................................................................................................. 8 2.1C ARACTERÍSTICAS Y ESPECIFICACIONES INICIALES ........................................................................ 8 2.2D IAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA ........................................................................................... 9 2.3C ONVERTIDOR DC/DC .............................................................................................................. 10 3MODELADO Y CONTROL DEL CONVERTIDOR ........................................................................ 12 3.1M ODELADO DEL CONVERTIDOR .................................................................................................. 12 3.2C ÁLCULO Y AJUSTE DE COMPENSADORES ................................................................................... 13 3.3S IMULACIÓN DEL CONVERTIDOR REGULADO EN PSIM .................................................................. 16 4PROTOTIPO .................................................................................................................................. 18 4.1E SQUEMA Y PCB ...................................................................................................................... 18 4.2P LACA DE CONTROL ................................................................................................................... 21 4.3P RUEBAS F UNCIONALES ............................................................................................................ 23 4.3.1Medidas experimentales con osciloscopio ...................................................................... 23 4.3.2Medida de un supercondensador .................................................................................... 25 5ESTUDIO DE SUPERCONDENSADORES SOMETIDOS A RADIACIÓN IONIZANTE .............. 28 5.3. I NTRODUCCIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LAS PRUEBAS ........................................................................ 28 5.1.1Selección de muestras .................................................................................................... 28 5.1.2Medidas antes de ser irradiados...................................................................................... 29 5.1.3Irradiación de supercondensadores ................................................................................ 29 5.1.4Medidas después de ser irradiados ................................................................................. 30 5.4. R ESULTADOS E XPERIMENTALES ................................................................................................. 30 6CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ...................................................................................... 35 ANEXO A. MODELADO DEL CONVERTIDOR ................................................................................ 37 A1B UCK (C ARGA DE SUPERCONDENSADOR ) ................................................................................... 37 A2B OOST (D ESCARGA DE SUPERCONDENSADOR ) ........................................................................... 39 ANEXO B. SOFTWARE DE CONTROL, MONITORIZACIÓN Y ADQUISICIÓN DE DATOS ......... 42 B1P ROGRAMACIÓN DEL CONTROL .................................................................................................. 42 B2I NTERFAZ DE CONFIGURACIÓN Y VISUALIZACIÓN .......................................................................... 45 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................................... 47 SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 3 1INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1Introducción Las tendencias actuales de búsqueda de una eficiencia energética cada vez mayor van directamente asociadas al concepto de almacenamiento energético: Energías renovables, sistemas regenerativos, sistemas pulsados, etc. Los sistemas clásicos de almacenamiento han comprendido tanto volantes de inercia (mecánicos) como baterías (electroquímicos). Sin embargo, en los últimos años ha crecido la importancia de los supercondensadores como elementos auxiliares en distintos sectores: generación y distribución de energía [1][2], sector de automoción [3][4], transporte, industria ferroviaria [5][6][7] y dispositivos electrónicos de carácter general. De esta creciente implantación surge la necesidad de conocer con precisión las características de los supercondensadores, estudiar cómo se comportan en distintos entornos, conocer los mecanismos de degradación, vida útil, etc. En base a esta necesidad surgen numerosos estudios, técnicas y métodos para la caracterización de supercondensadores [12]. Estos estudios tratan de determinar las características principales de un supercondensador (principalmente: Capacidad, resistencia serie equivalente (ESR) y corriente de fuga (autodescarga)) de la manera más simple, precisa y fiable posible. Entre todos estos métodos, existe uno que ha sido normalizado según la norma IEC 62391:2006 [13], y que por tanto cobra especial importancia. En los últimos años se han desarrollado bancos de prueba para la caracterización de supercondensadores basados tanto en el método normalizado [8], como en otros no normalizados. Sin embargo estos bancos de ensayo van en su mayor parte dirigidos a aplicaciones de alta potencia (automoción, ferroviaria, energías renovables, etc.) y por tanto se aplican principalmente a supercondensadores de elevada capacidad. 1.2Objetivos del TFM El objetivo principal de este Trabajo Fin de Máster es el diseño de un sistema para caracterización de supercondensadores que deberá determinar de forma precisa sus parámetros principales: capacidad y resistencia serie equivalente (ESR), realizando medición de temperatura. Y además será capaz de realizar ensayos cíclicos de forma autónoma para la realización de estudios de degradación. Su características diferenciadoras serán que deberá ser un sistema portátil, y que su rango de ensayo le permita caracterizar con precisión supercondensadores de prácticamente cualquier capacidad. Este sistema pretende ser utilizado para estudiar cómo se ven afectadas estas características en distintos entornos y condiciones de trabajo. Como segunda parte del TFM, se pretende utilizar el SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 4 sistema para estudiar la degradación de supercondensadores sometidos a radiación ionizante generada en un acelerador de partículas. Estos estudios forman parte de los análisis previos del proyecto del futuro acelerador de partículas lineal (ILC) [21], y tienen como objetivo estudiar la viabilidad de la utilización de supercondensadores en las fuentes de alimentación de los detectores del acelerador. 1.3Supercondensadores. Características y propiedades Los super-condensadores son condensadores electroquímicos de elevada capacidad cuyo valor puede llegar a varios miles de Faradios. Gracias a esta elevada capacidad, en la actualidad los supercondensadores se están utilizando como sistemas de almacenamiento de energía eficientes y de gran fiabilidad. Existen de varios tipos, aunque los más conocidos y comercializados son los EDLC (Electric Double Layer Capacitor). En la siguiente figura se muestra la estructura y composición interna de este tipo de supercondensadores: Fig. 1: Estructura y composición de un supercondensador [9] A continuación se explican las principales características los supercondensadores y sus diferencias con otros dispositivos de almacenamiento comunes: - Almacenamiento energético (densidad energética). Comparado con condensadores electrolíticos convencionales, los supercondensadores pueden llegar a tener una densidad energética varios órdenes de magnitud mayor. Por contra, actualmente esta densidad energética es mucho menor que la obtenida por baterías convencionales. - Gran densidad de potencia. Este parámetro hace referencia a la potencia que un dispositivo es capaz de entregar/recibir por unidad de volumen. La densidad de potencia es uno de los SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 5 puntos fuertes de los supercondensadores siendo típicamente de unos 10kW/kg. Este valor es más de un orden de magnitud mayor al de las baterías de ion litio. - Muy baja Resistencia Serie Equivalente (ESR). Comparados con baterías, la resistencia interna de los EDLC es mucho menor, lo que les permite trabajar con corrientes muy altas con una elevada eficiencia energética. - Carga y descarga muy rápida. Gracias a las características anteriores y a que el mecanismo de almacenamiento de los supercondensadores no es por efecto de una reacción química, pueden manejar elevadas corrientes y con una eficiencia prácticamente igual tanto en carga como en descarga. - Energía pulsada. Los supercondensadores son capaces de trabajar de forma pulsada, manejando elevados picos de potencia sin sufrir efectos de degradación. Las baterías en general ven reducida su vida útil trabajando de esta forma. - Vida útil. Según los fabricantes de supercondensadores, la vida útil de éstos se puede estimar en alrededor de 1 millón de ciclos de carga/descarga, mientras que la de las baterías de ion litio es de unos 1000 ciclos aproximadamente. - Voltaje por celda. Típicamente los EDLC tienen un voltaje máximo por celda de unos 2,7V, por lo que en función de la aplicación, es necesaria la conexión de varias celdas en serie para obtener un voltaje superior adecuado. Los supercondensadores pueden trabajar en todo el rango de voltaje hasta su tensión máxima, permitiendo mejor adaptación que las baterías a sistemas que funcionen a distintos voltajes. Además, esto permite que puedan ser totalmente descargados sin sufrir degradación alguna, mejorando la seguridad en el almacenaje. Las baterías sin embargo, pueden sufrir daños irreversibles si se descargan excesivamente. - Equilibrado de celdas. Por la característica anterior, y debido a las tolerancias de los supercondensadores, surge la necesidad de balancear las tensiones cuando existe una conexión en serie. La no aplicación de un circuito de equilibrado adecuado puede llevar a que algunas celdas estén trabajando en sobre-carga fuera de las especificaciones recomendadas, mientras que otras estarán muy por debajo de estas, provocando así una rápida degradación de las primeras. - Facilidad para determinar el estado de carga. La carga y descarga es prácticamente lineal, y por tanto el estado de carga (SOC) se obtiene directamente a través de la medición del voltaje en un determinado momento. SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 6 - Amplio rango de temperatura de funcionamiento. Típicamente los fabricantes establecen un rango de trabajo de entre -40 y 65ºC tanto en carga como descarga. Este rango es mucho mayor que el de las baterías de litio, sobre todo a bajas temperaturas (según datos de fabricantes, -20 a 60ºC en descarga y de 0 a 45ºC en carga aproximadamente). A continuación se muestra una tabla resumen de estos sistemas de almacenamiento: Tabla I: Comparativa de sistemas de almacenamiento [10] Parámetros Condensador Electrostático Supercondensador Batería Tiempo de descarga 10 - 6 ~10 - 3 seg 1~30 seg 0.3~3 hrs Tiempo de carga 10 - 6 ~10 - 3 seg 1~30 seg 1~5 hrs Densidad de energía (Wh/kg) < 0.1 1~10 20~100 Densidad de potencia (W/kg) < 10,000 10,000 50~200 Eficiencia carga/descarga ~ 1.0 ~0.95 0.7~0.85 Ciclos de vida útil ~ infinitos > 500,000 500~2,000 1.4Caracterización de supercondensadores La implementación y uso correcto de un supercondensador (o un banco de supercondensadores) así como su mantenimiento, pasa por un preciso conocimiento de sus características y su comportamiento en distintos entornos. Para ello, se han desarrollado diversos métodos de medida o caracterización [11][12]. Los principales métodos de caracterización se pueden resumir en los siguientes: método de carga / descarga a corriente constante, método resistivo, ensayo de ciclos de tensión, cronoamperometría, ensayo de ciclos a potencia constante, espectroscopia de impedancia y método de resistencia negativa. Cada uno de estos métodos define una seria de pautas para realizar la medida de la capacidad y la resistencia equivalente serie de un supercondensador. Este TFM se va a centrar en el método de carga/descarga a corriente constante, que es el definido por la norma IEC 62391:2006 [13]. SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 7 Fig. 2: Voltaje en terminales del supercondensador durante el ensayo En la figura anterior se define el ensayo de corriente constante. Se muestra el perfil del voltaje en los terminales del supercondensador durante el ensayo. El proceso de medida siguiendo la curva de la Fig. 2 es el siguiente: 1El supercondensador se carga a corriente constante hasta su tensión nominal U R , por lo que la tensión durante la carga será una recta de pendiente constante. 2Se mantiene el condensador cargado durante 30 minutos para determinar su auto-descarga (resistencia de fuga). 3Se inicia la descarga a corriente constante I*. Se mide la variación de tensión U 3 para determinar la ESR: I U ESR 3 )( ∆ =Ω 4Durante la descarga se mide el tiempo que tarda en pasar del voltaje U 1 * al voltaje U 2 *. Se determina la capacidad en descarga: )( )( )( 21 12 UU ttI FCI dt dV C− −× =⇒= * Los voltajes de medida U 1 y U 2 , y la corriente de ensayo I, están definidos por la norma en función de la capacidad del condensador, su voltaje nominal y su clase (la clase se establece en función del tipo de aplicación). Ver Tabla II: Tabla II: Parámetros de ensayo según la norma IEC 62391:2006. SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 8 2DISEÑO DEL SISTEMA 2.1Características y especificaciones iniciales Inicialmente se definieron unas características y capacidades esenciales que debería cumplir el sistema, y son las siguientes: - Los parámetros de ensayo serán totalmente configurables a través de un interface visual: Tiempo y número de ciclos, corriente en carga y en descarga, tensiones de ensayo, tiempo de parada entre ciclos, etc. - Una vez configurado, el sistema será capaz de realizar ciclos de carga y descarga a corriente constante de forma autónoma, registrando en todo momento la información obtenida durante el ensayo (tensión, corriente y temperatura). - Rangos de medida con tolerancia ≤ 5%: o Capacidad de 0,1F a 10000F o ESR mínima de 0,1mΩ - Capacidades del sistema: o Corriente máxima de ensayo = 50A o Rango de corriente desde 0,1 hasta 50A o Tensión máxima de salida = 5V SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 15 Fig. 7: Diagrama de Bode. Sistema compensado en lazo abierto En la Fig. 7 se puede observar que tras aplicar el compensador a cada una de las ramas, la respuesta en frecuencia de cada una de ellas es muy similar. Se ha conseguido que independientemente de la rama seleccionada, se obtenga un ancho de banda de 3kHz en el control y un margen de fase de aproximadamente 75º. Fig. 8: Respuesta temporal en Matlab. Respuesta a un escalón -100 -50 0 50 100 Magnitude (dB) 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 -180 -150 -120 -90 Phase (deg) System: Rama 5A Frequency (Hz): 3.18e+003 Phase (deg): -105 Buck Open Loop + compensador Frequency (Hz) Rama 50A Rama 15A Rama 5A 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10 -3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Buck, Respuesta a escalón Time (sec) Amplitude Rama 50A Rama 15A Rama 5A SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 16 Como se observa en la Fig. 8 , la respuesta transitoria de cada una de las ramas es muy similar una vez aplicado el compensador. 3.3Simulación del convertidor regulado en PSIM Para asegurar el correcto funcionamiento del controlador calculado, se realiza la simulación del modelo conmutado con el software de simulación de circuitos PSIM. (a) (b) Fig. 9: Respuesta temporal de la rama de 50A en Psim. (a) Respuesta a un escalón de carga. (b) Respuesta a escalón de carga y de descarga. En la figura anterior se puede observar la respuesta temporal obtenida con Psim. Se trata de la respuesta de la corriente por el supercondensador a un escalón de 50A en el control. El circuito que se ha implementado se muestra en la Fig. 10 : 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10 -3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Buck, Respuesta a escalón Time (sec) Amplitude Rama 50A Rama 15A Rama 5A 0 0.0004 0.0008 0.0012 0.0016 0.002 Time (s) 0 10 20 30 40 50 60 70 IL Vref 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Time (s) 0 -20 -40 -60 20 40 60 IL Vref SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 17 Fig. 10: Esquema del convertidor para simulación en Psim. El circuito implementado es el convertidor bidireccional síncrono que se desea diseñar incluyendo valores típicos de los componentes parásitos. La señal a controlar es la corriente a la salida. Se mide con un sensor de corriente y se le aplica un filtro paso bajo de 20kHz (f sw /10) para que la señal realimentada tenga el menor rizado posible, y con una frecuencia de corte lo suficientemente alta como para no afectar negativamente al control. Se obtiene el error restándole la medida a la señal de consigna. Después se aplica el regulador PI con los parámetros calculados en el apartado anterior, y la señal de referencia generada se lleva al comparador del modulador PWM que genera las dos señales complementarias para los dos MOSFETs. (a) (b) Fig. 11: Respuesta temporal de la rama de 50A en Psim (Señal de control amortiguada). (a) Respuesta a un escalón de carga. (b) Respuesta a escalón de carga y de descarga. 5m Rs 12 2m 15u A K Kp Ki 10m 2.5 1000 Vref MODULADOR PWM REGULADOR PI FILTRO PASO BAJO (fc = 20kHz) SEÑAL DE CONSIGNA 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 Time (s) 0 10 20 30 40 50 60 70 IL Vref 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Time (s) 0 -20 -40 -60 20 40 60 IL Vref SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 18 Para atenuar la sobre-oscilación observada en los transitorios, se aplica un filtro paso bajo (fc=1kHz) a la señal de referencia para evitar cambios bruscos y que por tanto el transitorio se produzca de forma más suave. Como se puede ver en la Fig. 11 , las sobreoscilaciones han sido prácticamente eliminadas. 4PROTOTIPO 4.1Esquema y PCB El esquema está dividido en dos partes para facilitar su lectura y comprensión. Además, para simplificar el esquema, se han omitido las fuentes de alimentación auxiliares y circuitos de detección de sobretensiones. Ver siguiente figura: Fig. 12: Esquema para prototipo del sistema de caracterización de supercondensadores. D9 LL4148 TR1 TRAFO 230/9V D3 B540C D8 B540C GND1 GND1 D7 B540C D2 B540C SMCSMC SMC SMC Vrack F1 Fuse 30A + C3 RL3 SPDT 12V/10A 13 2 5 C6 220nF/63V MKT R32 2R2 0,5W +15V 2xFASTON L N Q1 IR AUIRF2804 RC1 RC2 230V/50Hz Q2 IR AUIRF2804 R8 5R6/1W R9 5R6/1W + C4 + C8 + C9 C7 500F/16V To Rack SC (external PCB) R6 10K Vsd GND4 GND4 R5 100R +15V R10 3K3 R12 22k R11 100K Q3 BC817-40 IC4 FAN7392 LO 1 COM 2 VCC 3 NC1 4 NC2 5 VS 6 VB 7 HO 8 NC3 9 NC4 10 LIN 14 NC5 16 VSS 15 SD 13 HIN 12 VDD 11 Vmicro1 Vmicro2 C12 100nF +3V3 L N D5 LL4148 VRELE4 GND2 GND2 Q4 BC817-40 Valarma_Vrack C13 Cboot C19 100nF + C20 10uF/35V C5 2.2uF/275Vac C2 2.2uF/275Vac SOT-23 SOT-23 R4 1R/1W C10 22nF/63V MKT C27 100nF RL1 DURAKOOL - DG85C-8021-75-1012 30 87 85 86 C28 100nF C29 100nF RL2 DURAKOOL - DG20-7011-35-1012 43 1 2 RL4 DURAKOOL - DG20-7011-35-1012 43 1 2 D1 LL4148 D4 LL4148 L2 50uH/20A 1 2 3 4 D6 LL4148 +5Vsns +5Vsns +5Vsns GND5 GND5 GND5 +15V SC1 SC2 +15V +15V To SC Test L1 20uH/50A 1 2 3 4 5 6 7 8 L3 470uH/3A F2 Fuse 20A F3 Fuse 5A F4 Fuse 60A IC3 LEM-CAS 25-NP IN(1) 1IN(2) 2IN(3) 3 OUT(10) 10 OUT(9) 9 OUT(8) 8 Vout 11 GND 12 Vc 13 IC1 LEM-LTS 6-NP IN(1) 1 IN(2) 2 IN(3) 3OUT(4) 4 OUT(5) 5 OUT(6) 6 Vout 7 GND 8 Vc 9 IC2 LEM-LTS 6-NP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vsc2 Vsc1 Vsc3 Q6 BC817-40 Q5 BC817-40 Q7 BC817-40 C11 220nF/63V MKT GND2GND2GND2 R17 3K3 R18 3K3 R19 3K3 VRELE1 VRELE3VRELE2 Vout 1 3 2 4 5 6 7 SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 19 En rojo se resaltan los bloques principales del sistema: 1Circuito de precarga y mantenimiento de carga del módulo de supercondensadores. La activación de este circuito se realiza a través de un relé. 2Conexión del módulo de supercondensadores y fusible. 3Conjunto de condensadores de desacoplo justo antes de los transistores. 4Transistores MOSFET de baja resistencia de conducción. 5Circuito que integra el driver de disparo de los dos transistores. 6Relés de selección de rama. 7Se observan las 3 ramas diseñadas para distintos rangos de corriente. Cada rama consta de: relé de selección, inductancia de filtrado, sensor de corriente de efecto Hall y fusible de protección. Las 3 ramas se unen a la salida donde se conectará el supercondensador que se vaya a ensayar. A continuación se muestra el plano de serigrafía de la PCB y se indican los componentes marcados en el esquema anterior con la misma numeración: Fig. 13: Plano de serigrafía de la PCB. En la siguiente figura se muestra la fotografía del prototipo finalizado y totalmente funcional. Del mismo modo se explican cada una de partes más importantes: 1 2 3 4 6 5 7 SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 20 Fig. 14: Fotografía de prototipo funcional. 1Conexión entre placa de control y placa de potencia. Banda plana con señales analógicas y señales digitales lentas. Conector de 4 pines separado para señales PWM. 2Conectores a 15V para conexión de ventilación forzada. 3Conexión de alimentación a red de 230V. 4Fuente auxiliar de 15V/10W alimentada a 230V. 5LEDs de indicación de estado del sistema y comparadores para activar alarmas por sobretensión. 6Circuito de precarga y de mantenimiento de carga de módulo de supercondensadores. 7Driver para disparo de los transistores. 8Transistores MOSFET (encapsulado TO-220) con su disipador. Detrás de los disipadores se encuentra la conexión del módulo de supercondensadores, el fusible de entrada y los condensadores de desacoplo. 9Rama de corriente baja (5A). Incluye de arriba abajo: relé (lo tapa parcialmente la bobina del recuadro 10) bobina, sensor de corriente (azul) y fusible de 8A (naranja). 10Rama de media corriente (16A). Incluye de arriba abajo: relé (detrás de la bobina), bobina, sensor de corriente (azul) y fusible de 20A (amarillo). 11Rama de corriente alta (50A). Incluye de arriba abajo: relé, bobina, sensor de corriente (azul) y fusible de 60A (azul claro). 12Conector del supercondensador sometido a ensayo. 1 2 3 4 5 6 7 9 8 1 0 1 1 1 2 4.2Placa de control Para el control y monitorización del sistema, se ha utilizado una placa de desarrollo de Texas Instruments : “Texas Instruments Experimenter Kit TMS320C2000” con D Fig. 15 Como se observa en la Fig. 15 , esta placa incluye un pequeño espacio para soldar componentes si fuera necesario (conectores, filtros, divisores de tensión, etc.) El microcontrolador posee dos puertos de entrada pines accesibles de entradas/salidas digitales totalmente configurables +3.3V +5V GND PWM MOSFETS RELÉS SELECCIÓN DE RAMA RELÉ PRECARGA PUERTO USB PC Fig. 16 SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES Placa de control Para el control y monitorización del sistema, se ha utilizado una placa de desarrollo de Texas : “Texas Instruments Experimenter Kit TMS320C2000” con D SP Delfino F28335. 15 : Placa de desarrollo de Texas Instruments. , esta placa incluye un pequeño espacio para soldar componentes si fuera necesario (conectores, filtros, divisores de tensión, etc.) . El microcontrolador posee dos puertos de entrada s analógicas de 8 canales de 12bits cada uno pines accesibles de entradas/salidas digitales totalmente configurables . PLACA DE CONTROL ADC PUERTO B ADC PUERTO A E/S DIGITALES E/S DIGITALES SENSOR DE TEMP NTC 3 SENSOR DE TEMP NTC 2 SENSOR DE TEMP NTC 1 FILTRADO y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL VOLTAJE MODULO SC VOLTAJE DIFERENCIAL SUPERCONDENSADOR +3.3V AMP DIF MOSFETS SELECCIÓN DE RAMA PRECARGA FILTRADO y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL 16 : Esquema de conexionado de placa de control. SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 21 Para el control y monitorización del sistema, se ha utilizado una placa de desarrollo de Texas SP Delfino F28335. , esta placa incluye un pequeño espacio para soldar componentes si de 12bits cada uno y 48 SENSOR DE CORRIENTE 3 SENSOR DE CORRIENTE 2 SENSOR DE CORRIENTE 1 ADC PUERTO B ADC PUERTO A FILTRADO y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL ACONDICIONAMIENTO SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 22 En la Fig. 16 se muestra el esquema del conexionado de la placa de control. A continuación se describen los puntos principales: - Filtrado y acondicionamiento de señal: todas las entradas analógicas se conectan a través de un filtro paso bajo RC con una frecuencia de corte acorde a la señal medida. Las señales de los sensores de corriente además se escalan con un divisor resistivo de 5V a 3V (ganancia 3/5). Los termistores NTC se conectan además con una resistencia de “pull-up” a 3V. - Amplificador diferencial (Amp Dif): Para que la medida de tensión sea exacta y no se vea afectada por las caídas de tensión en el cableado, se realiza una medida de tensión del supercondensador con un amplificador diferencial. Para la medida de tensión se utilizan los 8 canales del puerto A en paralelo y así obtener mayor precisión promediando las 8 medidas. Este método de multi-muestreo sumado a la realización de un “ovesampling” y aplicando un filtrado digital, se utiliza para superar la limitación de la cuantización de los 12bits que posee el conversor A/D y obtener mayor precisión en las medidas [17] [18]. - Conexión PC: La placa se conecta a un PC a través de un puerto USB. La programación, adquisición de datos y visualización se realiza a través del software Vissim de Visual Solutions (software de programación gráfica similar a Simulink) SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 23 4.3Pruebas Funcionales 4.3.1Medidas experimentales con osciloscopio Inicialmente se realizan medidas experimentales con osciloscopio para verificar la correcta regulación de la corriente en cada una de las ramas, y verificar que los transitorios de arranque son coherentes con los cálculos anteriormente realizados. Los equipos utilizados para la medida son los siguientes: osciloscopio Rohde & Schwarz RTO y sonda de corriente de efecto Hall Tektronix TCP303 (medida de corriente en DC hasta 150A y ancho de banda de 15MHz). En las siguientes figuras se muestran los resultados: Fig. 17: Medida experimental con Osciloscopio. Respuesta a escalón de 15A en carga y en descarga (Rama 16A). Escala eje Y: 4A/div. Escala eje X: 1ms/div. Fig. 18: Medida experimental con Osciloscopio. Respuesta a escalón de 40A en carga y en descarga (Rama 50A). Escala eje Y: 10A/div. Escala eje X: 1ms/div. SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 24 Fig. 19: Medida experimental con Osciloscopio. Respuesta a escalón de 5A en carga y en descarga (Rama 5A). Escala eje Y: 2A/div. Escala eje X: 1ms/div. Se puede observar que en todos los casos (en todas las ramas) la regulación de la corriente es correcta y el transitorio con una pequeña sobre-oscilación se ajusta perfectamente a la respuesta observada en el modelo de simulación. También se observa perfectamente que en estos casos de medida no está implementado todavía el filtrado de la señal de referencia, y por tanto se genera un leve sobreoscilación. En la rama de menor corriente, se ve que el transitorio de descarga es más lento que en las demás. Esto es debido a la limitación que genera en la dinámica del sistema el hecho de que la inductancia sea mucho mayor que en los otros casos. SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 31 Muestra 1 (Maxwell 25F): Fig. 27: Medidas realizadas a la muestra 1 a 2.7A. (a) Capacidad frente a Tª. (b) ESR frente a Tª. (a) (b) Fig. 28: Medidas realizadas a la muestra 1 a 4.9A. (a) Capacidad frente a Tª. (b) ESR frente a Tª. En la medida de capacidad se observan variaciones máximas entre el antes y el después de unos 0.2F en el caso de ensayo a 4.9A y de 0.1F en el caso de 2.7A. Estas variaciones son menores del 1% en el primer caso y del 0.5% en el segundo, y por tanto se supondrán despreciables ya que es perfectamente asumible que entren dentro de la incertidumbre del sistema de medida. El resultado en la medida de la ESR es similar al caso de la capacidad, con variaciones observadas de alrededor del 1%, que a todos los efectos se pueden considerar despreciables. (a) (b) 22 22.5 23 23.5 24 24.5 25 25.5 26 26.5 27 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 30 Temperatura [ºC] C [F] C1I2 = 2.7A 22 22.5 23 23.5 24 24.5 25 25.5 26 26.5 27 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 Temperature [ºC] ESR [m Ω ] C1 - I2=2.7A ESR - 0 ESR - 1 MRad SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 32 Muestra 3 (Maxwell 10F): Fig. 29: Medidas realizadas a la muestra 3 a 1A. (a) Capacidad frente a Tª. (b) ESR frente a Tª. (a) 26 28 30 32 34 36 38 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Temepratura [ºC] ESR [m ] C3 - I3=3.5A ESR_antes ESR_despues (b) Fig. 30: Medidas realizadas a la muestra 3 a 3.5A. (a) Capacidad frente a Tª. (b) ESR frente a Tª. En la medida de capacidad se observan disminuciones máximas de ésta entre el antes y el después de unos 0.2F en los dos casos de ensayo. Estas variaciones son de alrededor del 2%. Son ligeramente superiores a las producidas en la muestra anterior, pero siguen siendo muy bajas y asumible que entren dentro de la incertidumbre del sistema de medida. El resultado en la medida de la ESR es similar al caso de la capacidad, con variaciones observadas de alrededor del 2% (1mΩ). C [F] (a) (b) SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 33 Muestra 4 (Nesscap 10F): Fig. 31: Medidas realizadas a la muestra 4 a 1A. (a) Capacidad frente a Tª. (b) ESR frente a Tª. C [F] (a) (b) Fig. 32: Medidas realizadas a la muestra 4 a 3.5A. (a) Capacidad frente a Tª. (b) ESR frente a Tª. En la medida de capacidad se observa que los casos de antes y después están prácticamente solapados para los dos niveles de corriente. Estas variaciones son menores del 1%, y por tanto se supondrán despreciables ya que es perfectamente asumible que entren dentro de la incertidumbre del sistema de medida. En el caso de la medida de la ESR, las variaciones observadas máximas son de alrededor del 2%, que una vez más se pueden considerar despreciables. (a) (b) SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 34 Muestra 5 (Panasonic 10F): Fig. 33: Medidas realizadas a la muestra 5 a 1A. (a) Capacidad frente a Tª. (b) ESR frente a Tª. C [ F ] (a) 24 24.5 25 25.5 26 26.5 27 27.5 28 25 25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 30 Temperatura [ºC] E S R [ m ] C5 - I3 ESR_antes ESR_después (b) Fig. 34: Medidas realizadas a la muestra 5 a 3.5A. (a) Capacidad frente a Tª. (b) ESR frente a Tª. En las mediciones de capacidad se observan variaciones máximas entre el 2 y el 3%. Estas variaciones son se supondrán despreciables ya que es asumible que entren dentro de la incertidumbre del sistema de medida. El resultado en la medida de la ESR el resultado de antes y después es prácticamente idéntico. (a) (b) SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 35 6CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS Se ha realizado el diseño y construcción de un sistema para la caracterización de supercondensadores, incluyendo sus tres partes principales: electrónica de potencia, sistema de control y sistema de adquisición y medida. El sistema diseñado es un sistema portátil que realiza la medición de las características de un supercondensador (Capacidad y ESR) registrando la temperatura del mismo, ya que estos parámetros son muy dependientes de ella. Además es capaz de realizar ensayos cíclicos de forma autónoma para su utilización en estudios de degradación. Se ha fabricado un prototipo totalmente funcional que ha sido verificado con medidas experimentales. Se ha realizado un estudio de supercondensadores sometidos a radiación ionizante. Se trata de una primera serie de test de radiación con el objetivo de validar su posible aplicación en entornos radiactivos. Se ha utilizado el sistema diseñado para realizar la medida de los parámetros de los supercondensadores (C, ESR y Tª) a corriente constante, con niveles normalizados y con corrientes nominal y máxima de cada fabricante. Este estudio ha servido para determinar que los supercondensadores ensayados son tolerantes a la radiación de electrones con unas dosis comprendidas entre 1 y 2.3 Megarads, ya que no se han encontrado diferencias apreciables en sus características tras ser sometidos a radiación. Por tanto, por ahora no se ha encontrado ninguna limitación de uso de estos dispositivos en este tipo de entornos. Tanto el sistema de caracterización como el estudio de supercondensadores sometidos a radiación, han sido presentados en dos congresos internacionales relacionados con aceleradores de partículas [19] [20]. En la realización de todo este trabajo se han aplicado técnicas de modelado y control de convertidores electrónicos de potencia, control digital, diseño de componentes magnéticos, técnicas de diseño de PCB, técnicas adquisición de datos y tratamiento de señal, etc. Además de la utilización de herramientas de simulación y programación: Matlab/Simulink (desarrollo del modelo del convertidor de potencia y cálculo y ajuste del controlador), Pspice, Psim (simulación del convertidor de potencia para verificación y ajuste de parámetros de diseño) y Vissim (programación del control del convertidor que se ha diseñado utilizando las herramientas anteriores, además de la programación de la máquina de estados del sistema completo, creación de un interfaz visual de comunicación con el usuario, monitorización y adquisición de datos). SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 36 Líneas Futuras: Ya están planificados estudios más exhaustivos, con otros tipos de radiaciones y mayores dosis, que sumados al estudio inicial ya realizado, servirán para validar la utilización de estos dispositivos en el acelerador de partículas lineal, ILC. Se plantea la realización de otros ensayos de comportamiento y degradación en cámara climática (temperatura y humedad controladas). Se plantea la posible adaptación del sistema para realizar otro tipo de ensayos que no sean cíclicos a corriente constante, como por ejemplo ensayos a potencia constante. Se plantea la utilización del sistema para la realización de estudios de degradación sobre otros dispositivos de almacenamiento de alta capacidad (baterías de litio, etc.) SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 37 ANEXO A. MODELADO DEL CONVERTIDOR A partir del esquema del convertidor mostrado en la Fig. 4 , se va a calcular la función de transferencia G id (s) para los dos modos de funcionamiento del convertidor. A1Buck (Carga de supercondensador) Para obtener la función de transferencia del modelo promediado de pequeña señal se utilizarán las ecuaciones de estado del sistema. Se obtienen las ecuaciones de estado para cada uno de los modos de funcionamiento del convertidor y se calculan las matrices de estado promediadas durante un ciclo de conmutación. Posteriormente se le aplicará una perturbación respecto al punto de operación para obtener la función de transferencia de pequeña señal [14] [15]. ESTADO1: T1 ON / T2 OFF Fig. 35: Circuito equivalente para T1 ON y T2 OFF Ecuaciones de estado: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )        = −⋅+++−= ti dt tdv C tvtiRRRRV dt tdi L L C CLCLMOSSDC L ( ) CLMOSSON RRRRR +++= ( ) ( ) ( ) ( ) DC C L ON C L V L tv ti C LL R dt tdv dt tdi ⋅         +       ⋅          −− =           0 1 0 1 1 SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 38 ESTADO2: T2 ON / T1 OFF L C Rc RL IL(t) RMOS Fig. 36: Circuito equivalente para T2 ON y T1 OFF Ecuaciones de estado: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )        = −⋅++−= ti dt tdv C tvtiRRR dt tdi L L C CLCLMOS L ( ) CLMOSOFF RRRR ++= ( ) ( ) ( ) ( )       ⋅          −− =           tv ti C LL R dt tdv dt tdi C L OFF C L 0 1 1 MODELO PROMEDIADO: Se promedian las ecuaciones anteriores durante un ciclo de conmutación. El estado1 durante t=D y el estado2 durante t=(1-D)=D’, siendo por tanto un ciclo completo t=1. ( ) OFFONPONOFF RRRRR 22 ≈≈=+ ( ) 1)(')( =+ tdtd           −− =           + + −+− =           + −−−− =+= 0 1 11 0 )(')( )(')( ))(')(( 1 0 )(')( )(')()(')( )(')( 21 C L R L C tdtd L tdtd tdtdR L C tdtd L td L td R L td R L td AtdAtdA PPOFFON         =+= 0 )( )(')( 21 L td btdbtdb ( ) ( ) ( ) ( ) DC C L P C L V L td tv ti C L R L dt tdv dt tdi ⋅         +       ⋅          −− =           0 )( 0 1 11 SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 39 Se aplican perturbaciones de pequeña señal:      += += += )( ˆ )( )( ˆ )( )( ˆ )( tiIti tvVtv tdDtd LLL CCC Ecuaciones promediadas de pequeña señal: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )        +⋅       = + ++⋅−+⋅      −= ⇒        ⋅       = +⋅−⋅      −= )( ˆ 1 )( ˆ )( ˆ 1 )( ˆ 1 )(1 tiI Cdt tdv V L tdD tvV L tiI L R dt tdi ti Cdt tdv V L td tv L ti L R dt tdi LL C DCCCLL PL L C DCCL PL Se eliminan las constantes o valores estacionarios: ( ) ( ) ( )      +⋅−⋅      −=⇒        ⋅       = +⋅−⋅      −= ∫ DCLL PL L C DCCL PL V L td ti LC ti L R dt tdi ti Cdt tdv V L td tv L ti L R dt tdi )( ˆ )( ˆ 1 )( ˆ )( ˆ 1 )( ˆ )( ˆ 1 )( ˆ Aplicando la transformada de Laplace: ( ) )( ˆ )( ˆ 1 )( ˆ )( ˆ 1 )( ˆ )( ˆ 2 sdsVsisCRLCsV L sd s si LC si L R sis DCLpDC L L P L ⋅=⋅++⇒+⋅−+⋅      −=⋅ Función de transferencia control - corriente de salida: 1 )( ˆ )( ˆ )( 2 ++ == p DC L id sCRLCs sV sd si sG A2Boost (Descarga de supercondensador) ESTADO1: T2 ON / T1 OFF Fig. 37: Circuito equivalente para T2 ON y T1 OFF Ecuaciones de estado: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )        −= ⋅++−= ti dt tdv C tiRRRtv dt tdi L L C LCLMOSC L ( ) CLMOSON RRRR ++= SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 40 ( ) ( ) ( ) ( )       ⋅           − − =           tv ti C LL R dt tdv dt tdi C L ON C L 0 1 1 ESTADO2: T1 ON / T2 OFF Fig. 38: Circuito equivalente para T1 ON y T2 OFF Ecuaciones de estado: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )        −= ⋅+++−−= ti dt tdv C tiRRRRVtv dt tdi L L C LCLMOSSDCC L ( ) CLMOSSOFF RRRRR +++= ( ) ( ) ( ) ( ) DC C L OFF C L V L tv ti C LL R dt tdv dt tdi ⋅        − +       ⋅           − − =           0 1 0 1 1 MODELO PROMEDIADO: Se considera que T2 conduce durante el tiempo D y T1 conduce en el tiempo D’. ( ) OFFONPONOFF RRRRR 22 ≈≈=+ ( ) 1)(')( =+ tdtd           − − =           + − + +− =           + − +−− =+= 0 1 11 0 )(')( )(')( ))(')(( 1 0 )(')( )(')()(')( )(')( 21 C L R L C tdtd L tdtd tdtdR L C tdtd L td L td R L td R L td AtdAtdA PPOFFON        − =+= 0 )(' )(')( 21 L td btdbtdb SISTEMA DE ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE SUPERCONDENSADORES 47 BIBLIOGRAFÍA: [1] C. Alippi, C. Galper, “Energy storage mechanisms in low power embedded systems: twin batteries and supercapacitors”, Wireless VITAE’09, Aalborg, Dinamarca, 2009, pag. 31-35. [2] X. Gao, S. Wang, T. Wei, “Energy Management Method of Supercapacitors Storage System for UPS Applications”, IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices, Chengdu, China, 2009, pag. 68-72. [3] A. Schneuwly, M. Bärtschi, V. Hermann, G. Sartorelli, R. Gallay, R. 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