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Kart de Hidrógeno Formula Zero Marcos Rupérez Cerqueda 29 de marzo de 2010 Resumen Formula Zero es una competición internacional de automovilismo basada en coches de hidrógeno (Pila de combustible). Un equipo, liderado por la ´´Fundación para el desarrollo de las nuevas tecnologías del hidrógeno en Aragón“ se formo para participar en dicha competición. Se realizo un testeo de todos y cada uno de los equipos presentes en el kart (Pila de combustible, condensadores, DC/DC, demanda de energía...) de manera que se tuvieran bien caracterizados, conociendo su funcionamiento y respuesta. Los datos obtenidos en los test son utilizados para construir modelos de cada uno de los equipos en matlab simulik. El modelo global del coche se ha utilizado con el fin de diseñar el mejor control del sistema de potencia. Se simulan diferentes configuraciones de interconexionado entre los bloques buscando la que mejor resultados obtenga. Finalmente la configuración seleccionada es implementada en el kart de hidrógeno y testeada en circuito para un mejor ajuste de sus sistemas. Esta configuración del kart será la que finalmente competirá durante la próxima temporada. Índice general 1. Marco, Objetivos y motivación 4 1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Motivación y Estructura del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2. Caracterización de los equipos 7 2.1. introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Célula de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1. Caracterización de la curva de polarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.2. Caracterización Dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Step up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4. Super condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4.1. Resistencia serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4.2. Resistencia Paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5. Test de funcionamiento conjunto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.6. Test sobre el terreno ( Circuito) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.7. Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3. Simulaciones 22 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2. Bloques de la simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.1. Pila de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.2. Supercondensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3. Step Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.4. Dinámica del vehículo y controles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3. Conexionado general de los bloques y configuraciones de potencia . . . . . . . . . . 28 3.4. Simulación del trazado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.5. Escenarios de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5.1. Escenario 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.5.2. Escenario 2 y 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.6. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6.1. Escenario 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6.2. Escenario 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.6.3. Escenario 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.7. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4. Conclusiones 42 5. Continuación del trabajo 44 6. Figuras, Tablas y bibliografía 45 1 A. Data sheets 50 A.1. Fuel cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 A.2. Super Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 A.3. Step Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 A.4. Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 B. Formula Zero Championship 65 B.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 B.2. The race . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 B.3. The technical rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 B.4. Our team . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 C. Car configuration 69 C.1. General energy configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 C.2. Fuel Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 C.2.1. Life line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 C.3. Motors and Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 C.4. DC/DC converter (Step Up) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 C.5. Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 C.6. Chassis and mechanical parts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 D. Presure Box 78 2 Nomenclatura BUS CAN Es un protocolo digital de comunicación C Capacidad ( condensador) se mide en Faradios Carga Se denomina carga a la potencia demandada por los motores electricos. La potencia necesaria para impulsar el kart en cada momento. Cruce de voltajes en el step-up Situacion que se produce cuando el voltaje a la salida del stepup es menos que a la entrada. En esta situación se pierde elñ control de la limitación de corriente del step-up DC/DC Circuito de corriente continua que eleva o disminuye la tensión ( equivalente a un transdormador en alterna) FC Fuel Cell (Pila de combustible) FHA Fundación Para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón K Constante proporcional de un controlador PI Ki Constante integral de un controlador PI PEM Polimer Electrolite Membrane ( Membrana de electronito polimérico) PI Controlador Proporcional Integral Rp Resitencia de autodescarga o paralelo (supercondensadores) Rs Resistencia en serie al supercondensador SPS Sim Power Systems. Libreria que emula circuitos electricos dentro de un entorno de señales simulink. Interactua con señales de simulink convencionales. Step-Up (Boost) Circuito DC/DC que eleva el voltaje de una corriente continua. Dispone de un PWM. V Voltaje Vc Voltaje Instantaneo Vo Voltaje inicial antes de descarga ESS Energy Storage System ( Sistema de alamacenamiento de energia) FIA Federation Internationale de l’Automobile SME Small and Medium Size Enterprise (Pequeña y mediana empresa) 3 Capítulo 1 Marco, Objetivos y motivación 1.1. Introducción El sector energético mundial esta evolucionando rápidamente. La principal motivación para este rápido avance es la reducción de las reservas de petróleo mundiales, lo que conlleva el incremento del precio de los principales combustibles fósiles. Este problema promueve la búsqueda de nuevas fuentes de energía que aseguren el abastecimiento en un futuro. Otro importante factor que promueve el cambio son las emisiones de efecto invernadero. La mayor parte de la energía proviene de combustibles que arrojan ingentes cantidades de CO2 a la atmósfera que provocan el calentamiento global del planeta. Otro de los grandes objetivos de las nuevas fuentes de energía es la reducción de estas emisiones. A nivel local se presenta el problema de la no homogénea distribución mundial de los combustibles fosiles. La mayor parte de los países abogan por una menor dependencia externa de su sistema energético. Estas nuevas fuentes de energía acercan el idilio de que cada red energética se auto abastezca de sus propios recursos territoriales. Respecto al uso de combustibles fósiles, la tendencia es a incrementar la eficiencia de la producción de energía. Lo cual implica un mejor aprovechamiento del combustible , emitiendo menos cantidad de CO2, reduciendo la dependencia energética de los países. La clara alternativa son las energías renovables, que no emiten CO2 en la producción. Pues se obtienen de recursos no fósiles. La mayor parte de las energías renovables son estacionarias ( Viento, energía solar, hidráulica,.....) y de producción aleatoria, ( no producen cuando se requiere, sino cuando se dispone de ellas...). Por tanto es necesaria una vía de almacenamiento energético a gran escala que disponer de energía en épocas no productivas o de producción inferior a la demanda. También es necesario almacenamiento energético si se quieren utilizar dichas energías renovables en aplicaciones móviles. De ahí la virtud del hidrógeno como vector energético, pues puede producirse, almacenarse y ser utilizado cuando y de donde sea necesaria la energía, tanto en aplicaciones móviles como estacionarias, regulando de de esta manera las fuentes de energía renovables y potenciando así su uso generalizado [14, 15]. El hidrógeno como vector energético tiene el problema del alto precio de sus equipos. Este precio es debido su baja producción industrial y un necesario proceso de adaptación en la sociedad. Los obstáculos a salvar para la evolución de la economía del hidrógeno pasan por una difusión social de la tecnología para conseguir una posterior aceptación de la misma. Formula Zero es una competición mundial de karts basados en hidrógeno con pila de combustible, que tiene como objetivo la promoción e incentivación del desarrollo de este tipo de vehículos. La base de este ‘proyecto es la mejora mediante la simulación y experimentación del prototipo de kart Formula Zero desarrollado por la Fundación Hidrógeno Aragón.. 4 1.2. Motivación y Estructura del proyecto Este proyecto fin de carrera se enmarca dentro del proyecto Formula Zero de la Fundación para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón (FHA)[3]. El proyecto general de la FHA consiste en la realización de un kart de hidrógeno basado en pila de combustible y competir en el torneo Internacional Formula Zero. La explicación de la normativa y fundamentos de Formula Zero puede ser consultada en el apéndice B.2. Al comienzo de este proyecto de fin de carrera se plantea el reto de una nueva temporada de carreras y su correspondiente necesidad de mejora del kart. El principal punto de competitividad es lograr una gestión adecuada de la energía. De manera que el coche reciba la potencia idónea en los momentos mas adecuados para conseguir un menor tiempo en la vuelta. Por tanto en este proyecto se parte de unos elementos del vehículo conocidos y se quiere optimizar la gestión de la energía.( Los sistemas y elementos de los que se compone el kart y sus características están explicados en el apéndice C) El proyecto se estructura en 4 partes fundamentales: 1. Caracterización de los equipos: Los equipos son sometidos a diferentes test, para conocer de manera exacta su funcionamiento así como las leyes por las cuales se rige su comportamiento. El objetivo final de esta fase es obtener todas las características de los equipos 2. Creación de modelos: En base al paso anterior, se obtienen ecuaciones físicas para cada equipo.Y se implementa un bloque en matlab simulink con las ecuaciones de cada uno de ellos. También se crea un modelo de la demanda de energía de los motores, basada en datos mecánicos aportados por expertos mecánicos del equipo de competición Team Elias[7]. Y un modelo del circuito, que sera modificado para adaptarlo al trazado de cada competición. 3. Creación de escenarios/Simulación: Una vez han sido construidos los bloques que representan cada equipo, se crean 2 configuraciones diferentes de conexión entre ellos. Cada configuración se correspondería con una configuración diferente en el kart real. a) Paralelo: Figure 1.1: Configuración con condensador en paralelo Un pack de supercondensadores se conecta en paralelo a los bornes de la pila de combustible. y este se conecta directamente a las controladoras de los motores b) Step-up Figura 1.2: Configuración con step-up Se conecta un circuito DC/DC tipo step-up que eleva la tensión de la pila a 72V y esta se aplica al pack de condensadores. Paralelamente se crean dos controles diferentes para el modelo de demanda de energía. Dichos controles implementan diferentes modos de gestión de la energía a lo largo del trazado. 5 Finalmente se crean combinaciones de los 2 controles con las 2 configuraciones, a cada una de estas configuraciones se les llama escenarios de simulación. 4. Selección del control óptimo: Se establece como criterio de selección el tiempo de vuelta al circuito y se simulan cada uno de los escenarios de simulación planteados. Con el resultado de este proceso se obtiene cual de las configuraciones creadas sería la mejor para ser implementada en el kart. Y que control de los creados debería ser implementado en ella. 1.3. Objetivos Experimentar los equipos en busca de posibles fallos de funcionamiento.. Conocer en profundidad del funcionamiento de los elementos/equipos que componen el kart. Implementar un modelo veraz y acorde con la realidad para cada equipo, que a su vez pueda ser utilizado en el futuro para testeo de nuevas ideas de mejora. Crear configuraciones del tren de potencia que cumplan con los requisitos de la competición Crear métodos de gestión de la energía (controles) que supongan una mejora competitiva en las carreras. Obtener finalmente una configuración mejorada del kart. Contrastada con las simulaciones realizadas 6 Capítulo 2 Caracterización de los equipos 2.1. introducción En primer lugar ,cada uno de los equipos es caracterizado por separado. Definiendo así las ecuaciones por las que se rige su funcionamiento. También se realiza un ensayo de todos los elementos conectados en una configuración similar al coche, de esta manera se asegura que el funcionamiento es similar tanto por separado como en conjunto. Los principales objetivos de los experimentos son: Asegurar que todos los elementos funcionan correctamente antes de su montaje en el coche Caracterizar cualitativa y cuantitativamente los elementos Buscar los limites de estabilidad y operación de cada elemento Chequear que los elementos funcionan de manera similar al estar conectados he influenciados entre si. El conocimiento adquirido de los elementos sera utilizado para crear los bloques de la simulación (capitulo 3).De esta manera se consigue que la simulación sea lo mas cercana a la realidad física posible. 2.2. Célula de combustible La célula de combustible viene caracterizada por el fabricante mediante su curva de polarización (apéndice A). Al tratarse este caso de un coche de competición, se deben explorar los limites de funcionamiento en experimentos reales. Los principales objetivos del testeo de la pila son: Chequear el correcto funcionamiento, ( la pila lleva mucho tiempo sin ponerse en marcha) Conocer la curva de polarización real (algo diferente a la de las especificaciones técnicas) Conocer los limites de estabilidad en los que se puede operar Conocer la dinámica de la pila, ya que esta no es especificada en el la hoja de especificaciones. Para lograr estos objetivos se realizan 2 experimentos, uno estático con el que se sonsigue la respuesta estacionaria y otro dinámico con el que se consigue la respuesta transitoria. 2.2.1. Caracterización de la curva de polarización El experimento consiste en extraer potencia de la pila a diferentes corrientes midiendo el voltaje. Así se obtienen los diferentes puntos de operación (Voltaje , Corriente) que forman la curva de polarización. Se utiliza una carga electrónica programable para de mandar bajas corrientes (0-30A) y dos motores eléctricos para demandar altas corrientes. 7 Figura 2.7: Experimento de determinación de la resistencia en serie (Corriente (mA), Voltaje(V)) Con estos datos se representa la dependencia de la resistencia serie con la tensión y con la corriente. Figura 2.8: Resistencia en seria VS Corriente 14 Figura 2.9: Resistencia en serie VS voltaje Se observa que la resistencia es practicamente constante e igual a 0.04 ohmios para los valores de corriente y voltaje ensayados. De aquí en adelante la resistencia serie de los condensadores se considerara constante he igual a 0.04 en cualquier situación. Podría existir una variación de la renitencia debido a un aumento de temperatura, pero no se han observado cambios de temperatura reseñables durante los experimentos y la disposición de los condensadores esta diseñada para una correcta refrigeración. 2.4.2. Resistencia Paralelo La resistencia de paralelo se mide realizando una auto descarga de los condensadores. Es decir, se cargan los condensadores a un voltaje, se aislan y se van realizando medidas del voltaje a lo largo del tiempo. Con este proceso se obtiene una curva de auto descarga del condensador (figura 2.10). Figura 2.10: Auto descarga de los condensadores Aplicando la formula de descarga RC [8]se obtiene una aproximación del valor de la resistencia paralelo.( formula 2.2) 15 t Rp =ln(V0)−ln(Vc)(2.2) Donde V0es el voltaje inicial,Vces el voltaje instantáneo tes el tiempo en segundos desde V0 aVcyRpes la resistencia paralelo. La resistencia varía dependiendo del punto de la curva utilizado para el cálculo, pero es siempre superior a 1000 ohm. Se deduce que esta resistencia no es realmente importante para esta aplicación ya que el ratio de auto descarga es rangos de magnitud mas lento que los sucesos del sistema. Las carreras del kart duran del orden de 5 minutos y los condensadores se descargan 1V cada 2 horas. De aquí en adelante la aproximación de 1000ohm se asume como aceptable para la resistencia paralelo debido a la baja influencia de la autodescarga. 2.5. Test de funcionamiento conjunto El propósito del ultimo experimento es comprobar que todos los elementos tiene el mismo comportamiento en conjunto que por separado. Para ello se realiza una conexión de los componentes similar a la del kart pero en estático ( No se mueven, simplemente se aplica una carga mecánica a los motores). Los elementos se conectan de la misma forma que en la figura 2.2.2. La pila de combustible se conecta a los bornes de baja tensión del step up. A los bornes de salida del bus (tensión más elevada) se conectan en paralelo los condensadores y la carga mecánica (controladoras de motores, motores y frenos de disco). En este experimento el limite de corriente de entrada del step up es fijado a 50A y se eleva a 150 A a mitad del experimento. El voltaje de referencia del step up es fijado para obtener 72V a la salida del mismo. Los motores se aceleran de manera que la corriente demandada supere la entregada por el step up ( primero se aceleran hasta que demandan mas de 50A y una segunda vez a mas de 150A). Las corrientes son monitorizadas mediante sensores de efecto lem y se muestran en la figura 2.11 .Los voltajes se muestran en la figura 2.12. Y las corrientes calculadas mediante ambas medicas en la figura 2.13. Figura 2.11: Test de conexión(corriente) 16 Figura 2.12: Test de conexión ( Voltajes) Figura 2.13: Test de conexión(potencia) Las figuras2.13,2.11 y 2.12 muestran como se comporta el sistema real ante demandas superiores al límite de corriente fijado por el step up. Cuando la demanda es inferior al limite de corriente (50 ó 160A), el voltaje se mantiene cercano a 72V y toda la potencia es obtenida de la pila. En caso de que la demanda sea superior al limite de corriente fijado la tensión del bus a la salida del step up decrece, logrando con ello un aporte de corriente por parte de los supercondensadores, compensado así la insuficiente producción de la pila. Mas adelante cuando la demanda de los motores vuelve a ser inferior al limite, la pila sigue produciendo el máximo para cargar los condensadores. Incluso 17 si la demanda cae a cero, la pila continua produciendo hasta alcanzar 72 voltios de consigna en el bus de los condensadores. En el caso el segundo pico de demanda el limite de corriente esta fijado a 160A luego la pila suple la energía demandada, a excepción del pico de arranque donde actúan los condensadores, inyectando puntualmente energía al sistema. 2.6. Test sobre el terreno ( Circuito) Tras el montaje del coche, se llevo a cabo un test en el circuito de Alcañiz (Motorland)[16], Motorland contribuye con este proyecto prestando sus instalaciones para eventos y entrenos. El principal objetivo del test era el chequeo del correcto funcionamiento en pista de todos los equipos y realizar una primera aproximación y ajuste de los elementos allá set up de carrera. Otro de los objetivos fue organizar la coordinación del equipo en el box y habituarse al uso de la telemetría. Para medir las variables del coche en todo momento se emplearon 2 sistemas. El primero de ellos mide aceleraciones en dos ejes, velocidades y tiempos de vuelta. Los datos son analizados con ´´Race Studio“ un programa de adquisición de datos para coches de competición, este programa te indica la trazada realizada por el coche así como el valor de las variables mecánicas en cada uno de los puntos del circuito(2.14). Figura 2.14: Interface de usuario de Race Studio Inycom[5] realizo un sistema en el que se adquieren de datos de todas las variables eléctricas del coche. Estos datos son analizados en un programa java desarrollado por la misma compañía. Donde se puede observar la evolución de las variables respecto al tiempo (2.15). 18 Figura 2.15: Interface de usuario del programa de adquisición de datos de Inycom Se realizaron 7 salidas a pista , cada una de ellas suponía varias vueltas al circuito. Posteriormente se han comparado las mediciones obtenidas por la adquisición de datos y las calculadas en la simulación ( Igualando las demandas de energía a la real). Como se puede observar en la figura 19 Figura 2.16: Comparación de simulaciones y datos reales Se puede observar en la figura que las tendencias y valores de todas las gráficas son similares. La única diferencia es el tiempo de respuesta de la pila, siendo algo menor en la realidad, con lo que debe ser ajustado. Se ajusta la pila a un tiempo de respuesta de 2seg para los siguientes apartados. 2.7. Conclusión Se han investigado el funcionamiento todos los equipos del tren de potencia De esta manera caracterizado cada uno de los equipos del tren de potencia del kart. Se han obtenido los diferentes puntos de operación de la célula de combustible (V-I) así como la máxima rampa de corriente que soporta(transitorio). Se ha asumido que puede ascender como máximo de 0 a 150A en 0,5 segundos. El efecto de la resistencia paralelo del condensador se ha considerado despreciable debido a los diferentes ordenes de magnitud entre el tiempo de auto descarga y los tiempos que dura la carrera. La resistencia serie ha sido determinada. El step-up se ha destacado como el elemento clave del sistema ya que permite controlar el flujo de potencia de la pila ( limitando su corriente) y a su vez bajar la tensión del bus de los condensadores haciéndolos así entregar energía . Por tanto controla al mismo tiempo potencia entregada por la pila y por los condensadores. 20 Se ha deducido la siguiente manera de funcionamiento general del sistema: •El step-up fija la corriente máxima a suministrar por la pila •Los condensadores suplen la potencia que la pila no logra suministrar ( en picos de potencia) •Si la demanda es inferior a la producción máxima de la pila. La pila produce energía en exceso para cargar los condensadores. •Si la demanda es superior a la producción de la pila. Los condensadores se van descargando y la tensión del bus va cayendo. Una vez comprobada la veracidad de las simulaciones con la realidad,el siguiente paso es el modelizado de las características de cada uno de los elementos. De manera que se encuentre una función de transferencia para cada elemento cuya reacción y parámetros se aproxime lo máximo a cada elemento real. 21 Capítulo 3 Simulaciones 3.1. Introducción Una vez los caracterizados componentes experimentalmente se pasa a modelar sus ecuaciones en matlab. De esta manera se conseguirá un modelo completo del coche, en el que poder probar controles y set-up con mayor rapidez y versatilidad. El objetivo principal es lograr el control y la configuración en la que el coche sea lo mas rápido posible. El máximo reto es determinar cuando debe gastar energía el sistema y cuando debe almacenarla. Las limitaciones del sistema son: El voltaje máximo de operación es de 72V( fijado por el step-up) y el mínimo 50V ( fijado por la pila). El voltaje de la pila nunca puede ser superior al del bus de los condensadores, ya que el step-up no permite este punto de operación, se produce un cruce de voltajes. El consumo (demanda) medio del sistema debe ser igual o inferior a la potencia máxima entregada por la pila. De otra manera los condensadores se descargarían hasta hacer el sistema inestable. El tiempo de respuesta de la pila ha de ser tenido en cuenta. No puede entregar toda su potencia instantáneamente como se ha demostrado en los experimentos anteriores. El límite de pico de demanda lo fija la potencia máxima de los motores 28,8kW (apéndice C.3) La cantidad de hidrógeno disponible en la botella es suficiente para que la pila funcione a plena carga durante toda la carrera. Luego el consumo de hidrógeno (eficiencia de la pila) no es un limitante a priori. 3.2. Bloques de la simulación Todo el sistema completo es simulado mediante matlab simulink. De manera que cada elemento representa un bloque independiente. Para simular los sistemas eléctricos se utiliza la librería ´´Sim Power Systems“(SPS)[11]. Para la simulación de los sistemas mecánicos se utiliza la librería ´´Sim Drive Line“ [12].Las señales de las librerías y Simulink se comunican mediaste bloques de transformación de señal.Todos los bloques no pertenecientes a las librerías y sus ecuaciones han sido desarrollados en este proyecto. Los bloques implementados son: La pila de combustible Los condensadores El step-up (DC/DC) La dinámica del vehículo 22 El trazado del circuito Controles La manera que se ha elegido para controlar el sistema es limitando la potencia disponible en el pedal del acelerador. De manera que el pedal a fondo no siempre significa la misma entrega de potencia por parte del coche. De esta manera la demanda puede ser adaptada al estado energético del kart. 3.2.1. Pila de combustible Para crear el bloque que simula la pila de combustible se realiza una regresión sobre las ecuaciones teóricas.De esta manera se determinan los valores teóricos que generan una curva de polarización similar a la real. El voltaje de una pila de combustible PEM se expresa en función de su voltaje de circuito abierto Uo(ecuación 3.2) menos las perdidas de voltaje de Activación, óhmicas y de difusión. (ecuación 3.1).[2][23] Ucell =Uo−ηact −ηohmic −ηdiff (3.1) Donde Ucell es el voltaje de una celda de la pila, ηact son las perdidas de voltaje debidas a activación, ηohm son las perdidas óhmicas y ndiff son las perdidas por difusión. El voltaje de circuito abierto Uose calcula con la ley de Nerst. Uo=Eo+∆s nF (T−To)(3.2) Donde Tes la temperatura,∆ses el cambio en la entropía, Fla constante de Faraday, nel numero de moles de electrones que toman parte en la reacción ,Tola temperatura de referencia (25º) y Eopotencial electroquímico de la reacción en condiciones normales. Las perdidas óhmicas se obtienen mediante la resistencia óhmica Rohm (ecuación 3.3).[17] Para calcularla se toma la zona central de la curva medida experimentalmente, y con la pendiente entre voltaje y corriente en esa zona se obtiene directamente Rohm. ηohmic =iRohm (3.3) Donde ies la densidad de corriente que atraviesa la membrana medida en A/cm2.Rohm = 0,000341806 Las perdidas por activación se calculan mediante la siguiente formula (ecuación 3.4) :[18] ηact =RT 4αF ·ln i+io io(3.4) Donde Res la constante de los gases ideales, ioes la corriente límite y αes el coeficiente de transferencia de carga. los valores usados en estas variables son obtenidos del paper [17]. Finalmente, sabiendo que las perdidas por difusión tiene forma logarítmica ascendente. Se realiza una regresión a esta forma mediante la ecuación 3.5.[18] ηdiff =a·ln 1−i b (3.5) Donde el valor de bindica el punto (corriente A) donde Hipotéticamente la curva de polarización llegaría a 0 voltios (las pedidas de difusión se hacen infinitas) y aes un coeficiente de ajuste. Una vez todos los valores han sido ajustados (tabla3.1 ) se obtiene una curva de polarización muy cercana a la real, y en la que se conocen los parámetros característicos (figura3.2.1 ). 23 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 −1 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Distance (m) Acelerator/Brake Circuit Profile Figura 3.9: Trazado estándar ( 1 significa aceleración máxima, -1 significa freno al máximo) Este trazado es implementado en el bloque ´´circuit“(figura 3.5) de manera que la señal de aceleración/freno sea la mostrada en la figura anterior (figura 3.9) Como criterio de comparación de los sistemas se utiliza el tiempo necesario para completar el trazado(figura 3.10). La configuración que menor tiempo obtenga sera considerada la mejor configuración. Figura 3.10: Calculo del tiempo para completar el trazado ( tiempo de vuelta) 3.5. Escenarios de simulación Para elegir la configuración que mejor se adapta a las necesidades se simulan 3 escenarios diferentes. En el primero de ellos se utiliza la configuración sin step-up (figura 3.7 ) y el control de velocidad, control 1 (sección3.5). En el segundo se utiliza la configuración con step up (figura 3.8) y el control de velocidad, control 1 (sección3.5). Para el tercer escenario se utiliza la configuración con step-up (figura 3.8) y el control 2. No se simula la configuración sin step-up y el control 2 ya que carece de sentido, por no poder medirse la diferencia de voltajes en el step-up ( base de calculo del control 2). Los controles son ajustados para obtener el máximo rendimiento del sistema , manteniéndolo estable en cada caso: 30 Control 1: Se ajustan la fuerza de aceleración a bajas velocidades de manera que se obtenga el menor tiempo por vuelta. Se aumenta dicha fuerza hasta llegar a la inestabilidad del sistema y se ajusta el control a una fuerza algo inferior que lo mantenga estable . La fuerza a altas velocidades(V>60Km/h–>F=350 N) es calculada de manera que el sistema necesite algo menos de la potencia de pico de la pila, pudiendo de esta manera cargar los condensadores mientas acelera. Control 2: Las constantes del controlador PI (K,Ki)son ajustadas de manera que el sistema se mantenga estable. Dentro de la zona estable se busca mediante el matlab toolbox los valores para los que se obtiene el menor tiempo por vuelta. 31 3.5.1. Escenario 1 Figura 3.11: Escenario de simulación 1 32 3.5.2. Escenario 2 y 3 Figure 3.12: escenario de simulación 2 y 3 ( dependiendo de la posición del interruptor manual se selecciona el control 1 o 2 ) 33 3.6. Resultados 3.6.1. Escenario 1 El escenario mostrado en la figura 3.11 es simulado en este apartado. El control se ajusta a 800N de empuje si la velocidad es inferior a 60Km/h y a 350N en caso de ser superior. Se ajusta así por ser el caso límite de estabilidad. Simulando se obtiene un tiempo de vuelta al trazado de 58,46 segundos. Si se observa la gráfica de corrientes (figura 3.13) se aprecia claramente que el condensador solo aporta una pequeña parte de la potencia en los picos, la mayor parte de la potencia la aporta la pila. Se observa también que la pila no produce el máximo (180 A) todo el tiempo, luego existe la posibilidad de mejorar el control, para mejorar el rendimiento. Se supone óptimo que la pila funcione a máximo régimen todo el tiempo de la carrera, de manera que entrega la máxima cantidad de energía posible al coche. 0 10 20 30 40 50 60 70 −50 0 50 100 150 200 250 time (s) Current (A) FC current Capacitor Current Load Figura 3.13: Escenario 1 Corrientes (A) La gráfica de potencias (figura 3.14) muestra las mismas tendencias que la de corrientes. Se observa además que la potencia aportada por los condensadores es de 2000W de pico y que este valor decrece vuelta tras vuelta. Además se aprecia que se le esta sometiendo a la pila a una carga de 9.5 kW que no es soportable por ella, esto es debido a que no existe limitador de corriente en esta configuración. 34 0 10 20 30 40 50 60 70 −2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Time (s) Power (W) FC power Capacitor Power Load Figura 3.14: Escenario 1 potencias (W) Si observamos los voltajes (figura 3.15), se aprecia clara mente que la energía almacenada en el condensador va decreciendo, y esta es la razón de que cada vez aporte menos potencia al sistema. 0 10 20 30 40 50 60 70 45 50 55 60 65 70 Time Voltage FC voltage Capacitor Voltage (ideal) Figura 3.15: Escenario 1 Voltajes (V) Esta configuración seria muy inestable en la realidad ya que la pila probablemente se pararía por sobrecarga. Además, en una carrera larga seria probablemente mas positivo ahorrarse el peso de los condensadores, ya que acabarían por no contribuir a la demanda de potencia. 3.6.2. Escenario 2 En este caso el controlador de velocidad se puede ajustar de manera que la fuerza aplicada al coche sea mayor. Esto es debido a que esta configuración;gracias al step-up puede soportar picos de demanda mayores que la configuración con el condensador en paralelo (escenario 1). El controlador se ajusta para aplicar 1100N si la velocidad es inferior a 60Km/h y 350N si es superior. 35 Simulando este escenario se obtiene un tiempo de vuelta de 53,91 segundos. Se puede observar (figura 3.16) que en este caso el sistema esta entregando 18kW de pico ( En el escenario 1 eran 12kW). El condensador entrega 12 kW en los picos de potencia, ayudando así a la pila a suplirlos. Además la célula de combustible tiene una producción practicamente constante e igual a su máximo, lo cual esta cerca del óptimo. La pila entrega practicamente toda la energía que es capaz de entregar en el periodo de tiempo de la carrera. Los únicos momentos en los que la pila produce menos son en los que la demanda cae y simplemente se cargan los condensadores con la potencia de la pila. 0 10 20 30 40 50 60 70 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2x 104 Power (10*KW) Time (s) FC Power Capacitor Power load Figura 3.16: Escenario 2 potencias (W) 36 0 10 20 30 40 50 60 70 −150 −100 −50 0 50 100 150 200 250 300 350 Time(s) Current (A) FC current Capacitor current Load Figura 3.17: Escenario 2 corrientes En este caso la potencia entregada por los condensadores no desciende a lo largo de la carrera, sino que mantiene sus valores. Esto es debido a que los condensadores no tienen tendencia a descargarse durante la carrera, sino que la energía que entregan la recuperan en los momentos de baja demanda. Por ello el voltaje medio de los condensadores a lo largo de la carrera va ascendiendo(figura 3.6.2). Absorben algo mas de energía de la que entregan, y así se asegura un sistema estable a largo plazo. 0 10 20 30 40 50 60 70 55 60 65 70 75 80 Time (s) Voltage (V) FC voltage Capacitor voltage Figura 3.18: Escenario 2 Voltajes (V) Observando como actúa el controlador de velocidad(figura 3.19) se comprueba la reducción de aceleración cuando se alcanzan los 60Km/h de velocidad de corte, este es el momento en que el controlador reduce la fuerza de empuje. Este fenómeno se puede observar en todas las grafías, ya 37 que en ese instante el condensador pasa de entrega la máxima potencia a cargarse. El efecto real es que se limita la velocidad del kart en rectas para así cargar los condensadores y tener una mejor salida en la siguiente curva. 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Time (s) Velocity (Km/h) Figura 3.19: Escenario 2 Velocidad Este sistema funciona perfectamente y mejora cualitativa y cuantitativamente el sistema de el escenario 1. Además asegura que puede ser usado para mucho mas tiempo del simulado, ya que la tendencia de los condensadores es ascendente, luego el tiempo de vuelta en la siguientes vueltas sera igual o menor. Si se ajusta el controlador con mayores fuerzas de empuje, el tiempo por vuelta se reduce algo, pero el condensador se ve descargado a lo largo de la carrera y el kart no tendría el mismo comportamiento vuelta tras vuelta. Luego el ajuste del controlador es el mas rápido que mantiene el sistema estable a lo largo del tiempo. 3.6.3. Escenario 3 Como el fenómeno que se quiere evitar es el cruce de voltajes .El controlador 2 intenta evitar este fenómeno. Intenta mantener una diferencia de voltaje de 3V entre la salida del step-up (condensadores) y la entrada (pila). cruce de voltajes: La tensión a la salida del step-up es inferior a la entrada. Se produce descontrol del limite de corriente y riesgo de sobrecarga de la pila Con este controlador se obtiene un tiempo de vuelta de 49,72 segundos. La producción e la pila es constante a lo largo de toda la carrera.Esta practicamente en el óptimo de producción energética. El condensador suple perfectamente los picos. Los picos son mucho menos agresivos que con el controlador 1 ya que regula la fuerza de forma lineal. Y 38 0 10 20 30 40 50 60 70 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 x 104 Time (s) Power (10*Kw) FC power Capacitor Current Load Figura 3.20: Escenario 3 Potencia (W) 0 10 20 30 40 50 60 70 −150 −100 −50 0 50 100 150 200 Time (s) Current (A) FC current Capacitor current Load Figura 3.21: Escenario 3 Corriente (A) Los condensadores son descargados suavemente, incrementando así su durabilidad, evitando su calentamiento y aumentando su eficiencia. 39 Índice de figuras 1.1. Configuración con condensador en paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2. Configuración con step-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1. Resultado del experimento, pila de combustible conectada a la carga electrónica . . 8 2.2. Curva de polarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Respuesta al escalón de la pila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4. Esma general del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.5. Test de respuesta de la pila con motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.6. Circuito equivalente a los condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.7. Experimento de determinación de la resistencia en serie (Corriente (mA), Voltaje(V)) 14 2.8. Resistencia en seria VS Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.9. Resistencia en serie VS voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.10. Auto descarga de los condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.11. Test de conexión(corriente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.12. Test de conexión ( Voltajes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.13. Test de conexión(potencia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.14. Interface de usuario de Race Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.15. Interface de usuario del programa de adquisición de datos de Inycom . . . . . . . 19 2.16. Comparación de simulaciones y datos reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1. Aproximación teórica de la curva de polarización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2. Primer orden, tiempo de respuesta 1 seg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3. Circuito equivalente a los condensadores simulado en Sim Power Systems . . . . . 25 3.4. Step-up, fuente de corriente controlada por PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.5. Bloques que configuran la carga de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.6. Load Control Bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.7. Sistema con el condensador situado en bornes de la pila de combustible FC . . . . 29 3.8. Sistema con elevación de voltaje del bus mediante step-up . . . . . . . . . . . . . . 29 3.9. Trazado estándar ( 1 significa aceleración máxima, -1 significa freno al máximo) . . 30 3.10. Calculo del tiempo para completar el trazado ( tiempo de vuelta) . . . . . . . . . . 30 3.11. Escenario de simulación 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.12. escenario de simulación 2 y 3 ( dependiendo de la posición del interruptor manual se selecciona el control 1 o 2 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.13. Escenario 1 Corrientes (A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.14. Escenario 1 potencias (W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.15. Escenario 1 Voltajes (V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.16. Escenario 2 potencias (W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.17. Escenario 2 corrientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.18. Escenario 2 Voltajes (V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.19. Escenario 2 Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.20. Escenario 3 Potencia (W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.21. Escenario 3 Corriente (A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.22. Escenario 3 Voltajes (V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.23. Escenario 3 Fuerzas (N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 46 C.1. System General sketch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 C.2. Capacitor directly connected to the Fuel Cell terminals . . . . . . . . . . . . . . . . 69 C.3. Fuel Cell input/output flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 C.4. Cooling circuit sketch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 C.5. Fuel Cell control sketch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 C.6. Life line sketch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 C.7. Motor characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 C.8. Maxwell Super capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 C.9. Chassis design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 D.1. Pressure box ( solid work design) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 47 Índice de cuadros 2.1. Pila de combustible conectada a los motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2. Ensayo sin limitación de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3. Ensayo con el limitador de corriente activado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1. Valores de las variables ajustadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2. Comparación Escenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 B.1. Races puntuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 48 Bibliografía [1] http://www.formulazero. [2] Jay T.Pukrushpan, Anna G. Stefanopoulou, Huei peng. 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