Desenvolupament d'un sistema power-hardware-in-the-loop per a l'emulació d'una bateria d'ió liti

TREBALL FI DE GRAU Grau en Enginyeria de l’Energia DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWAREIN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. Memòria i Annexos Autor: Adrian Esteban Reyes Illescas Director: Francisco José Casellas Beneyto Co-Director: Àlber Filbà Martínez Convocatòria: Gener 2025 DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 1 Pág. 2 Memoria 2 Resum Avui en dia degut al canvi climàtic i la necessitat de l'augment de l'ús de les energies renovables, les bateries i altres sistemes d’emmagatzematge també tenen una gran importància. Per això fer diferents proves amb aquestes tecnologies ajudarà a aconseguir uns millors resultats i aquí és on entra aquest treball i els sistemes PHIL (Power-hardware in the loop). Els sistemes PHIL permeten fer emulacions de diferents sistemes de manera senzilla sense la necessitat d'utilitzar components reals que poden ser perillosos si les proves no surten bé podent provocar incendis o que els dispositius es facin malbé, a més de tenir un cost molt reduït en comparació a fer servir els components reals. L’objectiu d’aquest treball estarà centrat en el modelatge termoelèctric extret de la literatura i l’emulació d’una bateria d’ió liti que és especialment susceptible a incendis per sobreescalfament, per la qual cosa els sistemes PHIL permeten validar el funcionament d’aquesta bateria sense problemes. Per al sistema PHIL s’utilitzarà el Typhoon HiL 404 on s’implementarà el model termoelèctric de la bateria d’ió liti i es farà servir un Regatron G5 com a font de corrent continu (CC) bidireccional, el Regatron enviarà el corrent de referència al Typhoon i aquest tornarà la consigna de voltatge de la bateria al Regatron per a què varií el corrent que li envia al Typhoon. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 3 Resumen Hoy en día debido al cambio climático y la necesidad del aumento del uso de las energías renovables, las baterías y sistemas de almacenamiento también tienen gran importancia. Por eso realizar diferentes pruebas con estas tecnologías ayudará a conseguir unos mejores resultados y aquí es donde entra este trabajo y los sistemas PHIL (Power-hardware in the loop). Los sistemas PHIL permiten hacer emulaciones de diferentes sistemas de manera sencilla sin la necesidad de utilizar componentes reales que pueden ser peligrosos si las pruebas no salen bien pudiendo provocar incendios o que los dispositivos se estropeen, además de tener un coste muy reducido en comparación a usar los components reales. El objetivo de este trabajo estará centrado en el modelado termoeléctrico extraído de la literatura y la emulación de una batería de ion litio que es especialmente susceptible a incendios por sobrecalentamiento, por lo que los sistemas PHIL permiten validar el funcionamiento de esta batería sin problemas. Para el sistema PHIL se utilizará el Typhoon HiL 404 donde se implementará el modelo termoeléctrico de la batería de ion litio y se utilizará un Regatron G5 como fuente de corriente continu (CC) bidireccional, el Regatron enviará la corriente de referencia al Typhoon y este devolverá la consigna de voltaje de la batería al Regatron para que varíe la corriente que le envía al Typhoon. Pág. 4 Memoria 4 Abstract Nowadays, due to climate change and the need to increase the use of renewable energies, batteries and storage systems are also of great importance. Therefore, performing different tests with these technologies will help to achieve better results, and this is where this work and the PHIL systems (Power-hardware in the loop) come in. PHIL systems allow emulations of different systems in a simple way, without the need to use real components, which can be dangerous if the tests do not go well, potentially causing fires or damage to the devices, additionally they have a very low cost in comporation to using the real components. The objective of this work will focus on thermoelectric modeling extracted from the literature and the emulation of a lithium-ion battery that is particularly susceptible to fires due to overheating. Thus, the PHIL systems allow validating the operation of this battery without issues. For the PHIL system, the Typhoon HiL 404 will be used, where the thermoelectric model of the lithiumion battery will be implemented, and a Regatron G5 will be serve as a bidirectional direct current (DC) source. The Regatron will send the reference current to the Typhoon, and this will return the battery voltage setpoint to the Regatron so that it can vary the current it sends to the Typhoon. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 5 Pág. 6 Memoria 6 Agraïments Agraeixo al meu supervisor en l’IREC, l’Àlber Filbà per haver-me ajudat a fer el treball i als meus companys de l’IREC Sergi Obrador i Clàudia Cabreres per haver-me donat un cop de mà en el modelatge de la bateria i en l’ús correcte del Typhoon respectivament. També agraeixo la implicació del meu tutor acadèmic de la EEBE, Francisco Caselles per ajudar-me en la redacció d’aquest informe i pel seguiment del treball. Finalment, també voldria agrair a la meva família per haver-me donat l'oportunitat de cursar un grau universitari i haver-me donat tot el suport possible. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 7 Pág. 14 Memoria 14 Figura 5.3. Variació del Vbat, Ibat, SoC i Voc de la bateria en funció del DoD. Prova de càrrega i després descàrrega en el Simulink de MATLAB _________________________________________ 59 Figura 5.4. Variació de les resistències i capacitàncies del model en funció del DoD. Prova de càrrega i després descàrrega en el MATLAB ____________________________________________ 60 Figura 5.5. Variació del vBat, Voc i SoC de la bateria en funció del DoD. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL ______________________________________ 60 Figura 5.6. Variació de les resistències del model de la bateria en funció del DOD. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL _______________________________ 61 Figura 5.7. Variació de les capacitàncies del model de la bateria en funció del DOD. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL _______________________________ 61 Figura 5.8. Variació del vBat, Voc i SoC de la bateria en funció del DoD. Prova de càrrega i després descàrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL ____________________________________ 62 Figura 5.9. Variació de les resistències del model de la bateria en funció del DOD. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL _______________________________ 62 Figura 5.10. Variació de les capacitàncies del model de la bateria en funció del DOD. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL ______________________ 63 Figura 5.11. Variació del vBat, Voc i SoC de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL ______________________ 63 Figura 5.12. Temperatura i pèrdues de potència de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL ___________________ 64 Figura 5.13. Variació de les resistències del model de la bateria en funció del DOD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL ______________ 64 Figura 5.14. Variació de les capacitàncies del model de la bateria en funció del DOD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL ______________ 65 DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 15 Figura 5.15. Variació del vBat, Voc i SoC de la bateria en funció del DOD i la temperatura. Prova de càrrega i després descàrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL ______________________ 66 Figura 5.16. Temperatura i pèrdues de potència de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després descàrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL ____________________ 66 Figura 5.17. Resistències de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després des càrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL ____________________________________ 67 Figura 5.18. Resistències de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després descàrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL ____________________________________ 67 Figura 5.19. Vbatmesu, vBat, iBatmesu, SoC i temperatura en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 ____________ 68 Figura 5.20. Vbatmesu, vBat, vBatTH, iBatmesu i iBat en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 ______________ 69 Figura 5.21. Vbatmesu, vBat, vBatTH, iBatmesu i iBat en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 ______________ 70 Figura 5.22. Vbatmesu, vBat, iBatmesu, SoC i temperatura en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després càrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 ______________ 71 Figura 5.23. Vbatmesu, vBat, vBatTH, iBatmesu i iBat en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després descàrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 ______________ 72 Figura 5.24. Vbatmesu, vBat, vBatTH, iBatmesu i iBat en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després descàrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 ______________ 72 Figura 6.1. Imatge del Typhoon HIL 404 ____________________________________________ 78 Figura 6.2. Imatge dels dos Regatrons G5 ___________________________________________ 79 Figura 6.3. Imatge del Breakout Board del Typhoon HIL ________________________________ 79 Figura 6.4. Imatge del Oscil·locopi utiltizat __________________________________________ 80 Pág. 16 Memoria 16 Figura 6.5. Imatge de la sonda de corrent utilitzada ___________________________________ 80 Figura 6.6. Imatge de la sonda de tensió utilitzada ____________________________________ 80 Llista de taules Taula 3.1. Paràmetres del model elèctric ___________________________________________ 23 DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 17 Taula 3.2. Nous paràmetres de R i C per a la nova capacitat de 30 Ah _____________________ 24 Taula 3.3. Nous paràmetres de R i C per a la nova capacitat de 30 Ah (Continuació) __________ 25 Taula 3.4. Gràfics dels nous paràmetres del model elèctric de la bateria ___________________ 25 Taula 3.5. Gràfics dels nous paràmetres del model elèctric de la bateria (Continuació) ________ 26 Taula 3.6. Gràfics dels paràmetres del model termoelèctric trobat a la literatura ____________ 28 Taula 3.7. Valors extrets de la figura 3.10 per al Voc del model trobat _____________________ 29 Taula 3.8. Valors extrets de la figura 3.11 per al R0 del model trobat ______________________ 29 Taula 3.9. Valors extrets de la figura 3.12 per al R1 del model trobat ______________________ 30 Taula 3.10. Valors extrets de la figura 3.13 per al R2 del model trobat _____________________ 30 Taula 3.11. Valors extrets de la figura 3.14 per la C1 del model trobat _____________________ 30 Taula 3.12. Valors extrets de la figura 3.15 per la C2 del model trobat _____________________ 31 Taula 3.13. Matriu en tant per u per al Voc __________________________________________ 31 Taula 3.14. Matriu en tant per u per a R0 ___________________________________________ 32 Taula 3.15. Matriu en tant per u per a R1 ___________________________________________ 32 Taula 3.16. Matriu en tant per u per a R2 ___________________________________________ 32 Taula 3.17. Matriu en tant per u per a C1 ___________________________________________ 33 Taula 3.18. Matriu en tant per u per a C2 ___________________________________________ 33 Taula 3.19. Matriu de valors repetits d'exemple per al cas del Voc ________________________ 33 Taula 3.20. Voc en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD) ______ 34 Pág. 18 Memoria 18 Taula 3.21. R0 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). ______ 35 Taula 3.22. R1 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). ______ 36 Taula 3.23. R2 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). ______ 37 Taula 3.24. R3 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). ______ 38 Taula 3.25. C1 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). ______ 39 Taula 3.26. C2 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). ______ 40 Taula 3.27. C3 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). ______ 41 Taula 4.1. Voltatge dels pins a les entrades i sortides analògiques _______________________ 54 Taula 6.1. Matriu de sostenibilitat. (Font: [16] ) ______________________________________ 75 Taula 6.2. Hores treballades per més al IREC durant l’estadia en l’empresa ________________ 76 Taula 6.3. Dies treballats a casa per més durant l’estadia en l’empresa ___________________ 76 Taula 6.4. Hores d’ús i consum energètic dels aparells utilitzats durant el treball ____________ 77 Taula 6.5. Cost dels aparells per a realitzar les proves _________________________________ 78 Taula 6.6. Cost dels aparells per a realitzar les proves (Continuació) ______________________ 79 Taula 6.7. Cost dels aparells per a realitzar les proves (Continuació 2) ____________________ 80 Taula 6.8. Cost total dels aparells i amortització (€/h) _________________________________ 81 DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 19 1. Introducció Aquest apartat servirà com a una introducció a aquest treball i estarà dividit en dos subapartats. El primer seran els objectius del treball tant els principals com de secundaris i el segon subapartat serà l’abast del treball. 1.1. Objectius del treball El principal objectiu d’aquest treball és desenvolupar un sistema Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) per a l'emulació d'una bateria d’ió-liti, que permeti dur a terme tests experimentals en laboratori de sistemes de potència amb emmagatzematge de forma senzilla, amb cost reduït i permetent flexibilitat en la configuració de la bateria a més d’un monitoratge exhaustiu dels paràmetres de la bateria. Una vegada s’obtingui un model prou fiable es buscarà emular diferents perfils de corrent de llarga duració per a veure un funcionament més real del model, a més d’aprendre a utilitzar tant l’Schematic Editor com el HIL SCADA del Typhoon HiL correctament. Com a objectiu secundari es buscarà utilitzar un perfil de conducció típic d’un vehicle elèctric on perfectament es podria fer servir aquest tipus de bateries. El sistema PHIL estarà integrat per una font de CC (corrent continu) bidireccional en corrent i un sistema de computació que permeti executar en temps real (un sistema Hardware-in-the-Loop, HIL) el model electrotèrmic d'una bateria. El sistema de control enviarà la consigna de tensió que la font CC ha de proporcionar en cada instant de temps, en funció del corrent instantani proporcionat/absorbit per aquesta i del model termoelèctric de la bateria. Inicialment, es programarà el model elèctric de la bateria en el Simulink de MATLAB i finalment en el sistema HIL tant el model elèctric com el tèrmic, per aquest motiu es buscarà a la literatura com és el modelatge d’una bateria d’ió liti. També es desenvoluparà el subsistema de comunicacions necessari per a la interfície entre el sistema HIL i la font de corrent continu. Finalment, es programarà la interfície home-màquina per ajustar i monitorar els paràmetres del model de la bateria al SCADA del Typhoon. 1.2. Abast del treball El funcionament del sistema PHIL es validarà mitjançant una segona font CC bidireccional en corrent connectat als terminals de potència del sistema que funcionarà com a càrrega. Aquesta font aplicarà perfils de corrent representatius de sistemes de potència típics que es testegen al laboratori de l'IREC. Memòria 20 El sistema HIL i tant la font de corrent continu com la segona font seran equips comercials, dels fabricants Typhoon HIL i Regatron, respectivament. El model elèctric de la bateria estarà compost per etapes RC connectades en sèrie com es podrà veure més endavant que és la manera més comuna de representar aquests tipus de sistema. Els paràmetres d'aquest s'obtindrà de la literatura, es consideraran tan sols bateries d'ió-liti. Respecte al model tèrmic de la bateria, també s’extraurà de la literatura per aconseguir així finalment un model termoelèctric d’una bateria d’ió liti. Hi ha documentació de models molt complexos que s’apropen molt a la realitat, però en aquest treball és centrarà en models més bàsics per poder agafar una idea i no complicar en excés el treball. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 21 2. Estat de l’art La situació actual respecte al PHIL (Power-Hardware-in-the-Loop) és molt interessant, i més si és per provar sistemes utilitzats típicament per a energies renovables o que poden funcionar junt amb aquestes energies com per exemple les bateries elèctriques d’ió liti que es farien servir en vehicles elèctrics o en altres dispositius. Aquest treball estarà sobretot centrat en el modelatge matemàtic de la bateria tant elèctricament com tèrmicament, a més de la implementació d’aquest model al MATLAB i finalment al Typhoon HiL per a poder dur a terme proves al laboratori del IREC. Per això s’ha buscat informació a diferents revistes científiques amb documentació tècnica com IEEE Xplore [1], ScienceDirect [2] i altra documentació que s’anirà mencionant durant la memòria. El Hardware-in-the-Loop (HIL) és una manera molt útil de fer simulacions en temps real sense la necessitat de Hardware real fent que les proves siguin molt més econòmiques i segures, ja que per exemple si se sobreescalfés una bateria d’ió-liti podria ser perillós, però en utilitzar el sistema HIL simplement donarà un error i es podrà mirar el que falla, arreglar-ho i continuant fent proves sense espatllar res. L’aparell que s'usarà en aquest treball com s’ha mencionat en la introducció és el Typhoon HIL, en concret el model 404. Hi ha diferents proveïdors d’aquests dispositius, els més populars són dSPACE, ETAS, iSyst, OPAl-RT i Speedgoat entre altres [3]. Tot i que al laboratori de l’IREC també tenien l’OPAL es va decidir fer servir el Typhoon per la seva facilitat a l’hora de programar el model al Schematic editor del Typhoon que a més és semblant al MATLAB que ja havia fet servir a diferents assignatures durant el grau i, per tant, podria fer unes primeres proves al MATLAB i després passar-ho al Typhoon HIL amb les modificacions adients. Respecte del modelatge termoelèctric d’un bateria d’ió liti hi ha molta documentació de cara a la importància que tindrà l’emmagatzematge energètic en l’ús de les energies renovables, i per això hi ha molts testos i proves fetes per investigadors arreu del planeta per comprendre el funcionament intern d’aquestes bateries. Molts d’aquests models tenen un abast molt més gran que aquest treball, però sí que n’hi ha de més simples que és el que s’ha buscat de cara a desenvolupar el model utilitzat a les proves amb el sistema PHIL. Memòria 22 3. Descripció del model En aquest apartat s’explicarà el model termoelèctric de la bateria, primer es començarà amb la part elèctrica i després amb la tèrmica. En la part del model elèctric s’explicarà d’on s’ha extret, com és el circuit elèctric, els paràmetres del model tant numèricament com gràficament i per últim la formulació per obtenir el SoC (state of charge) i el voltatge en la bateria. Posteriorment, es comentarà el model tèrmic, que adaptarà el model elèctric perquè també tingui dependència de la temperatura. Per aconseguir això s’utilitzarà un model de la literatura amb la variació dels paràmetres en funció de la temperatura, en aquest cas també es mostrarà el circuit elèctric, els paràmetres tant numèricament com gràficament, a més de la formulació per calcular les pèrdues de potència i la temperatura. 3.1. Model elèctric de la bateria Primerament, s’ha començat amb un model de la bateria a MATLAB proporcionat per l’Àlber Filbà basat en el document [4] del qual és un dels autors. Aquest model servirà com a base per al model final, aquest model l’havien utilitzat per a un sistema que tenia una bateria, un convertidor i un motor trifàsic. D’aquest sistema només es va tenir en compte el model de la bateria i es va adaptar per a funcionar per si sol sense tenir en compte el convertidor i el motor. Els paràmetres del model donat són els que es poden veure en la taula 3.1 i els utilitzats els de les taules 3.2 i 3.3, la majoria són vectorials, ja que es fan servir en LUT (look-up tables) tenint en compte el DoD (depth of discharge) per calcular els valors que hi ha en cada moment, el valor de més a l’esquerra és per DoD=0. Aquest model està basat en el model típic per representar una bateria que és un model amb diferents etapes RC, en aquest cas té tres com es pot apreciar en la figura 3.1. Figura 3.1. Model típic d'una bateria. (Font: pròpia amb PSIM) R1 C1 Voc R2 C2 R3 C3 R0 + - Vbat DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 23 Taula 3.1. Paràmetres del model elèctric Paràmetre Valors DoDM (Profunditat de descàrrega) [-] [0; 0,14; 0,27; 0,41; 0,55; 0,69; 0,82; 0,96; 1; 1,04] R0M (Resistència 0) [Ω] [0,017; 0,017; 0,0125; 0,0135; 0,014; 0,01325; 0,017; 0,01975; 0,044; 0,19] R1M (Resistència 1) [Ω] [0,037; 0,037; 0,03475; 0,03425; 0,03475; 0,0345; 0,03725; 0,054; 0,19025; 0,9545] R2M (Resistència 2) [Ω] [0,04075; 0,04075; 0,03075 ;0,0365; 0,03225; 0,0278; 0,039; 0,0455; 0,08525; 0,337] R3M (Resistència 3) [Ω] [0,014; 0,014; 0,03025; 0,03375; 0,011; 0,02475; 0,02975; 0,01825; 0,028; 0,0965] C1M (Condensador 1) [F] [52,4; 52,4; 36,4; 43,6; 42,4; 38; 45,6; 28,4; 6; 4] C2M (Condensador 2) [F] [1309,2; 1309,2; 886,4; 1068,8; 1196; 1058; 1586,4; 622,4; 318; 40] C3M (Condensador 3) [F] [95192,8; 95192,8; 13038,4; 47009,6; 42652,8; 7639,2; 13572; 16546,4; 10540,8; 4000] DoDMVoc (Profunditat de descàrrega Voc) [-] [0; 0,14; 0,27; 0,41; 0,55; 0,69; 0,82; 0,96; 1] VocM (Voltatge de circuit obert) [V] [435,2; 422,4; 412,8; 404,8; 388; 379,2; 374,4; 361,6; 359,2] vBnom (Voltatge nominal) [V] 397,3 vBmin (Voltatge mínim) [V] 304 Qnom (Capacitat nominal) [Ah] 166,8 Un tema a destacar és que en el cas del DoDM a diferència del DoDMVoc, el DoD arriba fins a 1,04 que seria un 104% de descàrrega i no a 1 (100%), tenint en compte que el DoD és igual a la integral del corrent entre la capacitat de la bateria i que quan és 0 la bateria està plenament càrregada i quan és 1 està descàrregada, el criteri per dir que està descàrregada no és tan clar i se sol considerar que s’ha descàrregat quan arriba a un voltatge en un cert interval. Per tant, si a les proves que van fer es va considerar un valor de tensió inferior al que va considerar el fabricant quan va calcular la capacitat Memòria 30 Taula 3.9. Valors extrets de la figura 3.12 per al R1 del model trobat T (K)/SoC (-) -0,04 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 0,2137 0,1838 0,1517 0,512 0,0335 0,0298 0,0277 0,0287 0,0314 0,0293 283 0,0929 0,0785 0,0678 0,0287 0,021 0,0228 0,0207 0,025 0,0244 0,0228 293 0,0453 0,0394 0,0346 0,1909 0,0228 0,0191 0,017 0,0207 0,0186 0,0143 303 0,0346 0,0298 0,026 0,0148 0,0196 0,0159 0,0148 0,017 0,0143 0,0095 313 0,0277 0,0239 0,0212 0,0121 0,0159 0,0132 0,0137 0,0143 0,0127 0,0084 Taula 3.10. Valors extrets de la figura 3.13 per al R2 del model trobat T (K)/SoC (-) -0,04 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 0,1031 0,0922 0,0754 0,0245 0,017 0,0155 0,0142 0,0145 0,0159 0,0155 283 0,05 0,043 0,0365 0,0144 0,014 0,0115 0,0109 0,0123 0,0123 0,0105 293 0,0235 0,0208 0,0184 0,01 0,0117 0,009 0,0088 0,01 0,0092 0,0075 303 0,0174 0,0155 0,0136 0,0077 0,0098 0,0079 0,0079 0,0086 0,0073 0,0058 313 0,0132 0,0121 0,0107 0,0065 0,0079 0,0069 0,0069 0,0077 0,0063 0,005 Taula 3.11. Valors extrets de la figura 3.14 per la C1 del model trobat T (K)/SoC (-) -0,04 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 0 0 0 253,13 293,23 333,33 355,89 348,37 315,79 330,83 283 0 0 52,63 408,52 368,42 438,6 473,68 416,04 413,53 448,62 293 0 122,81 208,02 551,38 443,61 548,87 583,96 493,73 536,34 604,01 303 70,18 213,03 345,86 696,74 513,78 649,12 659,15 581,45 664,16 786,97 313 70,18 218,05 360,9 847,12 626,57 744,36 706,77 674,19 796,99 962,41 DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 31 Taula 3.12. Valors extrets de la figura 3.15 per la C2 del model trobat T (K)/SoC (-) -0,04 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 0 0 0 4886,3 5805,1 6556,8 7058 6891 6306,3 6598,6 283 0 0 1085,9 7768 7350,4 8561,5 9396,8 8269,1 8269,1 9020,9 293 0 2213,5 4051 10859 8728,5 10733 11569 9856 10608 11986 303 1754,1 3925,8 6181 13698 10232 12863 13114 11569 13114 15494 313 1754,1 4494 7392,1 16622 12487 14868 13949 13448 15787 19128 Per poder adaptar aquestes dades al nou model que volíem crear es va dividir cada nova matriu entre un número de referència que era el valor a un SoC=45% i una temperatura de 293 K (20 °C) per a obtenir el valor de tant per u, per poder estimar com varia cada paràmetre. Els valors remarcats en groc en les taules de la 3.7 a la 3.12 són els valors usats per aconseguir la nova matriu en tant per u de cada paràmetre. Les matrius en tant per u obtingudes són les que es poden veure en les taules de la 3.13 a la 3.18, en aquestes taules es pot veure que en la posició remarcada que és la que s’havia fet servir com a referència en els valors extrets del model trobat a la literatura el valor en tant per u és 1 que és el buscat. En la resta de valors es pot veure com evolucionen els paràmetres en funció de la temperatura i el DoD respecte del punt de referència que també es troba en el model elèctric. Taula 3.13. Matriu en tant per u per al Voc T (K)/SoC (-) 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 0,8828 0,8965 0,9373 0,9728 1 1,033 1,068 1,101 1,134 283 0,8719 0,8883 0,9373 0,9755 1 1,033 1,074 1,104 1,131 293 0,8719 0,8883 0,9373 0,9782 1 1,035 1,074 1,104 1,131 303 0,8719 0,8883 0,9373 0,9782 1 1,038 1,074 1,104 1,131 313 0,8747 0,891 0,9373 0,9755 1,003 1,038 1,076 1,104 1,134 Memòria 32 Taula 3.14. Matriu en tant per u per a R0 T (K)/SoC (-) -0,04 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 1,203 1,197 1,202 1,219 1,17 1,159 1,17 1,176 1,206 1,258 283 1,307 1,263 1,232 1,133 1,083 1,073 1,073 1,088 1,13 1,145 293 1,184 1,155 1,128 1,044 1,009 1 0,9879 0,9873 0,9952 1,01 303 1,15 1,118 1,098 1,03 0,9991 0,9928 0,9745 0,9745 0,9745 0,9748 313 1,077 1,06 1,049 1,014 0,9721 0,9551 0,9382 0,922 0,9058 0,8895 Taula 3.15. Matriu en tant per u per a R1 T (K)/SoC (-) -0,04 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 11,19 9,628 7,947 2,681 1,756 1,561 1,448 1,504 1,644 1,532 283 4,886 4,109 3,549 1,504 1,42 1,196 1,084 1,308 1,28 1,196 293 2,372 2,064 1,812 1 1,196 1 0,8879 1,084 0,9722 0,748 303 1,812 1,561 1,364 0,7758 1,028 0,8318 0,7758 0,8879 0,748 0,4961 313 1,448 1,252 1,112 0,6359 0,8318 0,692 0,7197 0,748 0,6637 0,44 Taula 3.16. Matriu en tant per u per a R2 T (K)/SoC (-) -0,04 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 11,44 10,23 8,371 2,716 1,889 1,72 1,572 1,614 1,762 1,72 283 5,554 4,77 4,05 1,593 1,55 1,275 1,212 1,36 1,36 1,169 293 2,609 2,313 2,038 1,105 1,296 1 0,9789 1,105 1,021 0,8302 303 1,931 1,72 1,508 0,8513 1,084 0,8724 0,8724 0,9578 0,8091 0,6393 313 1,466 1,339 1,191 0,7248 0,8724 0,7669 0,7669 0,8513 0,7037 0,5549 DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 33 Taula 3.17. Matriu en tant per u per a C1 T (K)/SoC (-) -0,04 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 0 0 0 0,4612 0,5342 0,6073 0,6484 0,6347 0,5753 0,6027 283 0 0 0,0959 0,7443 0,6712 0,7991 0,863 0,758 0,7534 0,8174 293 0 0,2238 0,379 1,005 0,8082 1 1,064 0,8995 0,9772 1,1 303 0,1279 0,3881 0,6301 1,269 0,9361 1,183 1,201 1,059 1,21 1,434 313 0,1279 0,3973 0,6575 1,543 1,142 1,356 1,288 1,288 1,452 1,753 Taula 3.18. Matriu en tant per u per a C2 T (K)/SoC (-) -0,04 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 0 0 0 0,4553 0,5409 0,6109 0,6576 0,642 0,5875 0,6148 283 0 0 0,1012 0,7237 0,6848 0,7977 0,8755 0,7704 0,7704 0,8405 293 0 0,2062 0,3774 1,012 0,8132 1 1,078 0,9183 0,9883 1,117 303 0,1634 0,3658 0,5759 1,276 0,9533 1,198 1,222 1,078 1,222 1,444 313 0,1634 0,428 0,6887 1,549 1,163 1,385 1,3 1,253 1,471 1,782 Després, per a cada paràmetre es va fer una altra matriu posant els valors repetits del model elèctric en files un número de vegades igual a les files de la matriu del nou model que serien 5, ja que hi ha 5 temperatures. Taula 3.19. Matriu de valors repetits d'exemple per al cas del Voc T (K)/SoC (-) 0 0,04 0,18 0,31 0,45 0,59 0,73 0,86 1 273 359,2 361,6 374,4 379,2 388 404,8 412,18 422,4 435,2 283 359,2 361,6 374,4 379,2 388 404,8 412,18 422,4 435,2 293 359,2 361,6 374,4 379,2 388 404,8 412,18 422,4 435,2 303 359,2 361,6 374,4 379,2 388 404,8 412,18 422,4 435,2 313 359,2 361,6 374,4 379,2 388 404,8 412,18 422,4 435,2 Memòria 34 En la taula 3.19 es mostra un exemple d’aquesta matriu de valors repetits per al cas del voltatge de circuit obert Voc. Una vegada es tenen les dues matrius es multipliquen per a obtenir el model elèctric inicial adaptat perquè també tingui influència de la temperatura aconseguint un model termoelèctric. Fent-ho d’aquesta manera també es modifica el valor del voltatge de circuit obert canviant el voltatge nominal de la bateria a 416,6 V però per aconseguir aquest nou model en funció de la temperatura tenint compte el de la literatura i els valors en tant per u obtinguts. Per al nou VocM s’obtenen els següents resultats: Taula 3.20. Voc en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD) T (K) / DoD (-) 0 0,14 0,27 0,41 0,55 0,69 0,82 0,96 1 273 493,31 464,99 440,92 418,04 388 368,87 350,94 324,16 317,11 283 492,12 466,14 443,17 418,26 388 369,9 350,94 321,2 313,2 293 492,12 466,14 443,17 419,14 388 370,93 350,94 321,2 313,2 303 492,12 466,14 443,17 420,24 388 370,93 350,94 321,2 313,2 313 493,31 466,14 444,29 420,24 389,06 369,9 350,94 322,19 314,18 Figura 3.16. Voc en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 35 En la taula 3.20 i en la figura 3.16 es poden apreciar els nous valors del voltatge de circuit obert Voc en funció de la temperatura i el DoD. Per al nou R0M s’obtenen els següents resultats: Taula 3.21. R0 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). T(K)/DoD(-) 0 0,14 0,27 0,41 0,55 0,69 0,82 0,96 1 1,04 273 0,0038 0,0037 0,0026 0,0028 0,0029 0,0028 0,0037 0,0043 0,0095 0,0411 283 0,0035 0,0035 0,0024 0,0026 0,0027 0,0026 0,0035 0,0044 0,01 0,0446 293 0,0031 0,003 0,0022 0,0024 0,0025 0,0024 0,0032 0,004 0,0091 0,0405 303 0,003 0,003 0,0022 0,0024 0,0025 0,0024 0,0031 0,0039 0,0088 0,0393 313 0,0027 0,0027 0,0021 0,0023 0,0024 0,0023 0,0031 0,0037 0,0084 0,0368 Figura 3.17. R0M en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). En la taula 3.21 i en la figura 3.17 es poden apreciar els nous valors de la resistència interna R0 en funció de la temperatura i el DoD. Igual que per al cas del model elèctric no s’han tingut en compte en el gràfic els valors grans de DoD perquè eren molt més grans que els altres. Memòria 36 Per al nou R1M s’obtenen els següents resultats: Taula 3.22. R1 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). T(K)/DoD(-) 0 0,14 0,27 0,41 0,55 0,69 0,82 0,96 1 1,04 273 0,0103 0,011 0,0094 0,009 0,0097 0,011 0,018 0,0772 0,3295 1,9227 283 0,0079 0,0085 0,0083 0,0067 0,0076 0,0088 0,0101 0,0345 0,1406 0,8353 293 0,005 0,0065 0,0068 0,0054 0,0063 0,0074 0,0067 0,0176 0,0707 0,4065 303 0,0032 0,005 0,0056 0,0049 0,0052 0,0065 0,0052 0,0131 0,0534 0,3112 313 0,0029 0,0045 0,0047 0,0043 0,0043 0,0052 0,0043 0,0108 0,0428 0,2487 Figura 3.18. R1M en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). En la taula 3.22 i en la figura 3.18 es poden apreciar els nous valors de la resistència R1 en funció de la temperatura i el DoD. Igual que per al cas del model elèctric no s’han tingut en compte en el gràfic els valors grans de DoD, ja que eren molt més grans que els altres. Per al nou R2M s’obtenen els següents resultats: DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 37 Taula 3.23. R2 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). T(K)/DoD(-) 0 0,14 0,27 0,41 0,55 0,69 0,82 0,96 1 1,04 273 0,0126 0,0129 0,0089 0,0103 0,01 0,0094 0,0190 0,0685 0,1569 0,6935 283 0,0086 0,01 0,0075 0,0079 0,0074 0,0077 0,0112 0,0331 0,0731 0,3367 293 0,0061 0,0075 0,0061 0,0064 0,0058 0,0065 0,0078 0,0167 0,0355 0,1581 303 0,0047 0,0059 0,0053 0,0057 0,0051 0,0054 0,0060 0,0123 0,0264 0,1171 313 0,0041 0,0052 0,0047 0,0050 0,0044 0,0044 0,0051 0,0097 0,0205 0,0888 Figura 3.19. R2M en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). En la taula 3.23 i en la figura 3.19 es poden apreciar els nous valors de la resistència R2 en funció de la temperatura i el DoD. Igual que per al cas del model elèctric no s’han tingut en compte en el gràfic els valors grans de DoD perquè eren molt més grans que els altres. Per al nou R3M s’obtenen els següents resultats: Memòria 38 Taula 3.24. R3 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). T(K)/DoD(-) 0 0,14 0,27 0,41 0,55 0,69 0,82 0,96 1 1,04 273 0,0043 0,0044 0,0088 0,0095 0,0034 0,0084 0,0145 0,0275 0,0515 0,1986 283 0,0029 0,0034 0,0074 0,0074 0,0025 0,0069 0,0085 0,007 0,024 0,0964 293 0,0021 0,0026 0,006 0,0059 0,0020 0,0058 0,0059 0,0067 0,0117 0,0453 303 0,0016 0,002 0,0052 0,0053 0,0017 0,0048 0,0046 0,0049 0,0087 0,0335 313 0,0014 0,0018 0,0046 0,0047 0,0015 0,0039 0,0039 0,0039 0,0067 0,0254 Figura 3.20. R3M en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). En la taula 3.24 i en la figura 3.20 es poden apreciar els nous valors de la resistència R3 en funció de la temperatura i el DoD. Igual que per al cas del model elèctric no s’han tingut en compte en el gràfic els valors grans de DoD, ja que eren molt més grans que els altres. Per al nou C1M s’obtenen els següents resultats: DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 39 Taula 3.25. C1 en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). T(K)/DoD (-) 0 0,14 0,27 0,41 0,55 0,69 0,82 0,96 1 1,04 273 175,58 167,63 128,44 157,18 143,17 112,87 116,93 0 0 0 283 238,13 219,51 153,4 209,22 188,37 141,84 188,71 15,14 0 0 293 320,59 284,67 182,03 257,93 235,74 170,75 254,7 59,826 7,4671 0 303 417,72 352,56 214,39 291,12 278,78 197,77 321,87 99,524 12,949 2,8439 313 510,85 423,06 248,59 312,14 319,7 241,19 391,31 103,81 13,255 2,8439 Figura 3.21. C1M en funció de la temperatura (T) i de la profunditat de descàrrega (DoD). En la taula 3.25 i en la figura 3.21 es poden apreciar els nous valors del condensador C1 en funció de la temperatura i el DoD. Per al nou C2M s’obtenen els següents resultats: Memòria 46 En la figura 4.4 es pot veure el que hi ha dins del bloc BMS de la figura 4.2, aquest bloc fa que si el voltatge de la bateria és inferior al voltatge mínim el protection state és s’activa i es posa 1, si no aquest protection state està a 0. Figura 4.5. Model elèctric de la bateria al Simulink de MATLAB (Càlcul de voltatges). En la figura 4.5 es pot veure el que hi ha dins del bloc Model 3RC de la figura 4.2, en aquest bloc es calculen els diferents valors dels voltatges de cada etapa RC i el voltatge de la bateria. Per això es pot veure a la dreta on es fan els càlculs utilitzant les equacions 3.6, 3.7, 3.8, 3.9 i 3.10. Figura 4.6. Model elèctric de la bateria al Simulink de MATLAB (Voc look-up table). En la figura 4.6 es pot veure el que hi ha dins del bloc LUT Voc de la figura 4.5, aquí és on es calcula el Voc de la bateria en cada instant mitjançant un LUT, en aquesta entra el DoD (x) calculat en l’equació 3.5 que es veu en la figura 4.3 i amb els paràmetres DoDMVoc (x_data) i VocM (y_data). DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 47 Figura 4.7. Model elèctric de la bateria al Simulink de MATLAB (paràmetres look-up tables). En la figura 4.7 es fa el mateix que en la figura 4.6 però per a les R i les C del model entrant la DoD a x, el paràmetre DoDM a x_data i els paràmetres R0M, R1M, R2M, R3M, C1M, C2M, C3M als respectius y-data de cada LUT. Això és el que està dins del bloc LUT RC de la figura 4.5. 4.2. Model elèctric al Typhoon HiL Una vegada es va provar aquest primer model amb el MATLAB, es va decidir provar amb el Typhoon per comprovar el funcionament en aquest sistema, ja que hi ha blocs diferents o blocs que no hi ha, però n’hi ha d'altres similars. Figura 4.8. Model elèctric de la bateria al Typhoon HiL. En la figura 4.8 es pot veure el mateix que en la figura 4.1, però en Typhoon, la diferència és que la mesura es fa amb onze sondes que després es podran veure i extreure les dades en el HiL SCADA mentre que en MATLAB es fa amb dos scope que es pot veure en el mateix editor. Memòria 48 Figura 4.9. Model elèctric de la bateria al Typhoon HiL (entrada de paràmetres). En la figura 4.9 es pot veure el mateix que en la figura 4.2, però en Typhoon, es pot apreciar una gran diferència en les entrades de paràmetres sobretot al bloc del Model 3RC i el BMS, ja que les entrades i sortides del bloc SoC & DoD són iguals. Figura 4.10. Model elèctric de la bateria al Simulink de MATLAB (SoC & DoD). En la figura 4.10 es pot veure el mateix que en la figura 4.3, però en Typhoon, es pot apreciar que la part esquerra és igual, l’únic que canvia és que en Typhoon no està el bloc de funció que s’utilitza en MATLAB a la dreta, per tant, simplement es fa la resta amb un bloc de suma configurant-ho com a restador. Figura 4.11. Model elèctric de la bateria al Typhoon HiL (BMS). DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 49 En la figura 4.11 es pot veure el mateix que en la figura 4.4, però en Typhoon, en aquest cas es té una entrada menys degut al bloc de D Flip Flop, ja que en el Typhoon el Rising edge ho fa dins del mateix bloc, per la qual cosa no fa falta aquesta entrada. Figura 4.12. Model elèctric de la bateria al Typhoon HiL (Càlcul de voltatges). En la figura 4.12 es pot veure el mateix que en la figura 4.5, però en Typhoon, es pot apreciar que no té els paràmetres d’entrada a l’esquerra i que la part dreta dels càlculs està una mica més desordenada, això és perquè al Typhoon no hi ha ni el bloc Mux ni el bloc de funció pel que s'ha de fer tot amb productes i sumes. Figura 4.13. Model elèctric de la bateria al Typhoon HiL (Voc LUT). Memòria 50 Figura 4.14. Model elèctric de la bateria al Typhoon HiL (paràmetres look-up tables) En la figura 4.13 es pot veure el mateix que en la figura 4.6 i en la figura 4.14 el mateix que en la figura 4.7, però en Typhoon, la gran diferència és que els paràmetres del model es posen directament dins dels blocs de LUT com es pot apreciar en la figura 4.16, ja que el Typhoon no té els blocs de LUT Dynamics que té el MATLAB, això fa que el model sembli més simple i que, per tant, a les figures 4.9 i 4.12 no hi ha les entrades dels paràmetres RC. En aquest cas també es pot apreciar que després de cada bloc LUT hi ha un bloc gain, aquest guany serveix per fer l’adaptació de la capacitat mencionada en l’apartat 3.1. Això és diferent del MATLAB, ja que en el MATLAB es tenia un script on estaven les dades dels paràmetres i es va dividir i multiplicar entre k les resistències i les capacitats respectivament, mentre que al Typhoon tot i que també es podia fer d’una manera similar es va decidir utilitzar els blocs de guany per fer-ho directament al model. Figura 4.15. Bloc de 1D look-up table al Typhoon HiL (exemple de R0). DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 51 Un altre tema és la interfície home-màquina programada en el HIL SCADA del Typhoon, la interfície dissenyada és la que es pot veure en la figura 4.16. Aquesta està formada per vuit trace graph on es mostren els resultats en temps real per al voltatge, corrent, SoC, voltatge de circuit obert, les quatre resistències i els tres condensadors. També per a cada paràmetre es mostra un display amb el valor numèric en cada instant, per poder obtenir els gràfics de tots els paràmetres per tota la duració de les proves s’ha posat un bloc signal data logger per obtenir les dades en format csv. Finalment, s’ha posat un bloc de text box que és on pot modificar el valor del corrent de la bateria, aquest bloc no es fa servir en el cas de les proves final on el corrent es controla amb el Regatron. Figura 4.16. Interfície home-màquina dissenyada en el HIL SCADA del Typhoon per al model elèctric 4.3. Model termoelèctric al Typhoon HiL Com ja s’havia comprovat el funcionament d’aquest primer model tant en el MATLAB com en el Typhoon, com es va mencionar en l’apartat 3.2 es va buscar ampliar el model tèrmicament i per aquest motiu es va utilitzar MATLAB per fer els càlculs matricials per extreure els paràmetres del nou model en funció del DoD i la temperatura. Figura 4.17. Càlcul matricial dels nous paràmetres Memòria 52 Figura 4.18. Càlcul matricial dels nous paràmetres (Continuació) En les figures 4.17 i 4.18 es poden veure els càlculs matricials per calcular els paràmetres del nou model adaptat en el cas de la R1M, per a la resta de paràmetres s’utilitza el mateix procés. En la part de dalt de la figura 4.17 es pot veure el model elèctric depenent només del DoD repetit 5 vegades en files, perquè es pugui fer els càlculs amb la matriu de sota que és la matriu del model trobada a la literatura, també es pot veure el bloc de divisió matricial per a dividir la matriu de sota entre un valor de referència d’aquesta mateixa matriu. El valor de referència està en el mateix punt per a tots els paràmetres a DoD=45% i T=20 °C. En la figura 4.18 es pot veure a sota la matriu en tant per u com a resultat de la divisió entre el valor de referència, en la part de dalt està la matriu resultada multiplicant la matriu tant per u per la matriu del model elèctric mitjançant un bloc de multiplicació matricial. Una vegada es van tenir els paràmetres del nou model es van canviar les LUT del model de Typhoon d’una dimensió per les de dues, així tenint en compte la temperatura, i també es va ampliar la part tèrmica mitjançant les equacions 3.11 i 3.13 com es pot veure a la figura 4.19. Figura 4.19. Ampliació del model tèrmic en el Typhoon DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 53 En aquest cas s’ha modificat la interfície home-màquina del HIL SCADA perquè també es puguin veure tant les pèrdues de potència com la temperatura, això es pot veure en la figura 4.20. La modificació no es basa només a afegir dos trace graph sinó també en el signal data logger afegint els senyals de la 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 i la T. Figura 4.20. Interfície home-màquina dissenyada en el HIL SCADA del Typhoon per al model termoelèctric Fins aquest moment s’havia utilitzat el Virtual HIL, per la qual cosa les emulacions es feien a l'ordinador i encara no s’havia fet servir el Typhoon HiL 404 físicament. Per aquest motiu, per poder usar el Typhoon HiL s'havien de fer unes modificacions que es poden veure en la figura 4.21. Figura 4.21. Model termoelèctric modificat per a funcionar amb les sortides i entrades analògiques En la figura 4.21 es poden veure les modificacions necessàries per a poder comunicar amb el Typhoon HiL 404, com es volia connectar mitjançant les entrades i sortides analògiques, es va posar un bloc Memòria 54 analog input com a entrada de corrent i un bloc output settings per controlar les sortides analògiques. També es va posar un filtre passa-baixos amb una freqüència de tall de 100 Hz per reduir el soroll produït en les entrades i sortides analògiques. Un altre tema a tenir en compte és el voltatge dels pins de les entrades i sortides analògiques tant al Regatron com al Typhoon HIL, aquesta informació es va trobar als datasheets dels aparells. Per facilitar l’enteniment d’això s’ha realitzat la taula 4.1. Taula 4.1. Voltatge dels pins a les entrades i sortides analògiques Voltatge pins (V) Voltatge / Corrent Regatron Voltatge (V) 0 a 10 0 a 500 Corrent (A) -10 a 10 -216 a 216 Segons la taula 4.1 quan en una entrada o sortida analògica de voltatge del Regatron hi ha 10 V hi haurà 500 V al Regatron i quan hi hagi 10 V per una entrada o sortida analògica del corrent hi haurà 216 A o -216 A en el cas que hi haguí -10V. Per aplicar això en el model, dins dels blocs analog input i output settings hi ha un factor d’escalat. Com el corrent és una entrada al Typhoon el factor escollit és de 21,6 que serien els 216 A del Regatron dividit entre els 10 V del pin, i per això si hi ha 216 A al Regatron i per tant 10 V al pin en multiplicar-ho per 21,6 s’obtindrien al Typhoon els 216 A del Regatron. En el cas del voltatge com és una sortida el factor escollit és de 0,02 que seria els 10 V del pin dividit entre els 500 V del Regatron, per la qual cosa si surten 10 V al pin del Typhoon hi haurà 500 V al Regatron. En el cas del bloc output settings el factor de l’escalat va a la inversa pel que se n'ha fet servir 50, en el bloc analog input si que s’ha fet servir el 21,6. 4.4. Model termoelèctric al Typhoon HiL (Muntatge) Una vegada es va tenir el model complet, es va fer l'esquema per a poder fer el muntatge amb el Regatron G5 que emularia la bateria del model en el Typhoon. Per a fer l’esquema de la figura 4.22 es va haver de mirar el manual del hardware del Typhoon per veure en quins pins es troben les entrades i sortides. El Typhoon està separat en tres files (A, B i C) de 32 pins cada una, en la fila C estan tots els AGND (Analog Ground), en les files A i B del pin 1 al 16 estan les AO (Analog Output) i dels pins 25 a 32 les AI (Analog Input). Dels pins 17 a 24 d’aquestes dues files estan els voltatges de 12 V, -12 V, 5 V i -5 V que no s’utilitzaran. Tenint aquesta informació s’ha decidit simplement fer servir el primer pin de cada tipus, el pin 25 de la fila A per a l’entrada analògica, el pin 1 de la fila A per a la sortida analògica i per als AGND es faran servir els pins 1 i 2 de la fila C. Es faran servir dos tenint en compte el tipus de cable que farem servir per a la connexió sent trenat de 2 cables i tenint quatre d’aquests trenats tenint vuit cables en total dels quals farem servir només quatre. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 55 Figura 4.22. Esquema del Typhoon HiL 404 amb el Regatron G5 Amb aquests quatre pins ja tindríem tot el necessari per part del Typhoon perquè funcioni el model. Per al Regatron es necessitarà un connector del tipus D-sub de 25 pins, es farà servir el pin 2 per a l’entrada analògica que és la que rep el voltatge de referència segons el manual del Regatron i el pin 4 per a la sortida analògica, ja que és el que dona el corrent de referència per al Typhoon HiL. Figura 4.23. Connector D-sub de 25 pins del Regatron G5 En la figura 4.23 es pot veure el tipus de connexió que disposa el Regatron G5 per les entrades i sortides analògiques sent un D-sub de 25 pins i femella, necessitant un de mascle que provingui del Typhoon HiL 404. El cable per fer la connexió es va muntar al mateix laboratori d’IREC, agafant un cable d’Ethernet que es va mencionar abans pelant el cable gran i després tallant els quatre cables que no usaríem. Només es van fer servir quatre cables dels vuit interiors. Figura 4.24. Connector D-sub de 25 pins utilitzat per la connexió del Regatron G5 amb el Typhoon HiL 404 En la figura 4.24 es pot veure el cable muntat per a la connexió entre els dos dispositius, en aquest es pot veure el cable taronja usat per al corrent de referència provinent del Regatron al Typhoon i el blau per al voltatge de referència provinent del Typhoon al Regatron. Com es pot veure en l’esquema de la figura 4.22 es va fer servir el pin 2 (cable blau) per a l’entrada del voltatge i el pin 4 (cable taronja) per a la sortida de corrent del Regatron G5. El cable blau amb blanc i Memòria 62 En les figures 5.6 i 5.7 es poden veure els mateixos resultats de les resistències i capacitàncies que els obtinguts en MATLAB en la figura 5.2 respectivament. 5.2.2. Prova amb el Virtual HiL (Càrrega i descàrrega de la bateria amb SoC inicial del 50%) En aquest cas el perfil de corrent és el mateix que el de la figura 5.3 baixant el corrent al principi i després pujant. Figura 5.8. Variació del vBat, Voc i SoC de la bateria en funció del DoD. Prova de càrrega i després descàrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL En la figura 5.8 es pot veure un gràfic en el qual en l’eix principal estan representats tant el voltatge de la bateria com el de circuit obert, i en l’eix secundari està representat el SoC de la bateria igual que en la figura 5.5. De la mateixa manera que amb el MATLAB la bateria és càrrega amb corrent negatiu i és descàrrega amb corrent positiu. En la figura 5.8 també es pot veure el mencionat sobre la figura 5.5, quan la bateria és càrrega i, per tant, el corrent és negatiu, el voltatge de la bateria és major al de circuit obert mentre que quan és descàrrega és al contrari. Figura 5.9. Variació de les resistències del model de la bateria en funció del DOD. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 63 Figura 5.10. Variació de les capacitàncies del model de la bateria en funció del DOD. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL En les figures 5.9 i 5.10 es poden veure els mateixos resultats de les resistències i capacitàncies que els obtinguts en MATLAB en la figura 5.4 respectivament. Els resultats en MATLAB i Typhoon són pràcticament iguals, però el Typhoon ens permetrà desenvolupar un sistema PHIL que és l’objectiu d’aquest treball. 5.3. Model termoelèctric al Typhoon HiL 5.3.1. Prova amb el virtual HiL (Descàrrega i càrrega de la bateria amb SoC inicial del 50%) El perfil de corrent és el mateix que el de la figura 5.1, ja que es comença descarregant la bateria i després és càrrega. Figura 5.11. Variació del vBat, Voc i SoC de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL Memòria 64 En la figura 5.11 es pot veure com la diferència entre el voltatge de circuit obert i el voltatge de la bateria és menys apreciable encara, això succeeix, ja que a l’adaptar el model perquè tingui dependència de la temperatura les resistències han disminuït i els condensadors han augmentat fent que en calcular els voltatges de cada etapa RC i siguin més petits i, per tant, el voltatge de la bateria és més semblant al del Voc. Figura 5.12. Temperatura i pèrdues de potència de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL En la figura 5.12 es pot veure com augmenta la temperatura al càrregar i descàrregar la bateria i que segueix les pujades i baixades de les pèrdues de potència perquè es calcula a partir d’aquest valor, no segueix exactament la mateixa forma pel fet que la resistència tèrmica i capacitància tèrmica del model tèrmic també tenen influència en la temperatura. En aquesta prova es comença a veure els avantatges dels sistemes HIL, perquè un corrent de 2C de 60 A la temperatura augmenta molt arribant a temperatures considerables d’uns 343 K (70 ºC). Si la prova s’estigués fent amb una bateria real d’ió liti podria ser perillós, ja que la bateria s’estaria sobreescalfant, per tant, en utilitzar un sistema HIL podem fer la prova sense riscos. Figura 5.13. Variació de les resistències del model de la bateria en funció del DOD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 65 En la figura 5.13 es pot veure com evolucionen les resistències segons el model termoelèctric, ja que amb un SoC baix les resistències comencen a pujar considerablement, mentre que amb un SoC del voltant del 30 % i una temperatura alta tenen valors considerablement més petits que amb un 20 %. Això es pot veure molt bé en la figura 5.13, una altra cosa que es pot apreciar és que la tercera resistència va arribar al valor de limitació mínim de les resistències perquè aquesta te una gran baixada al voltant del 30 %. Figura 5.14. Variació de les capacitàncies del model de la bateria en funció del DOD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL En la figura 5.14 es pot apreciar com les capacitàncies evolucionen segons el model termoelèctric, en les capacitàncies 1 i 2 que evolucionen de manera similar es pot veure com a SoC d’un 20 % i una temperatura baixa tenen valors més petits que quan el SoC està al voltant del 30 % i la temperatura és elevada. En el cas de la tercera capacitància al voltant del 20 % té una vall pel que disminueix bastant mentre que al voltant del 30 % just té la pujada de la vall així els valors són més grans. 5.3.2. Prova amb el virtual HiL (Càrrega i descàrrega de la bateria amb SoC inicial del 50%) El perfil de corrent és el mateix que el de la figura 5.3, ja que es comença carregant la bateria i després és descàrrega. Memòria 66 Figura 5.15. Variació del vBat, Voc i SoC de la bateria en funció del DOD i la temperatura. Prova de càrrega i després descàrrega en el Virutal HIL del Typhoon HIL En la figura 5.15 es pot veure com de la mateixa manera que amb el model elèctric, el voltatge augmenta més en la càrrega que en la descàrrega arribant a uns 60 V d’augment mentre que en el cas anterior arriba a uns 50 V. Figura 5.16. Temperatura i pèrdues de potència de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després descàrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL En la figura 5.16 es pot veure com la temperatura augmenta al descarregar o carregar la bateria de la mateixa manera que en l'anterior cas, ja que així és com hauria de funcionar, per tant, el model funciona correctament tant en pujada/baixada del corrent com en baixada/pujada. En aquest cas també es pot veure el gran augment de temperatura a 60 A arribant en aquest fins a 353 K (80 ºC), això succeeix, ja que amb un SoC al voltant del 80 % els valors de les resistències són més grans pel que no arriben al límit inferior i, per tant, les pèrdues de potència es mantenen amb un valor més gran durant més temps. Com s’ha mencionat anteriorment, aquestes temperatures elevades podrien ser perilloses, per la qual cosa poder provar el sistema d’aquesta manera és de gran utilitat. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 67 Figura 5.17. Resistències de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després des càrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL En la figura 5.17 es pot apreciar com el valor de les resistències segueix la mateixa forma que en el cas anterior, però com al voltant del 70 % que és quan baixa no arriba al límit inferior com s’ha mencionat anteriorment. També es pot veure com la tercera resistència baixa en compte de pujar com la resta al voltant del SOC del 80 % seguint els paràmetres del model. Figura 5.18. Resistències de la bateria en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després descàrrega en el Virtual HIL del Typhoon HIL En la figura 5.18 es pot veure com varien les capacitàncies del model, el condensador 1 i 2 varien de manera similar a la que ho fan en la prova anterior, però el tercer condensador puja en compte baixar, tenint en compte els paràmetres del model amb un SoC al voltant del 80 % la capacitància del tercer condensador puja considerablement sobretot a altes temperatures, tot i que en aquest cas estem a temperatura ambient i no puja tant. Memòria 68 5.3.3. Prova amb el Typhoon HiL 404 i dos Regatrons G5 (Descàrrega i càrrega de la bateria amb SoC inicial del 50%) En aquesta prova ja es començà a fer servir el Typhoon per emular la bateria en el Regatron, en aquesta primera prova que serà de descàrrega i càrrega, el perfil de corrent serà el que es pot veure en la figura 5.19 (ibatmesu). Aquest perfil de corrent serà el mateix que per les altres proves de descàrrega i càrrega fetes anteriorment, en estar fent servir el sistema real es pot veure com hi ha soroll en el corrent que surt del segon Regatron que és el que genera els perfils de corrent i també en voltatge del Regatron que emula la bateria (vBat). Tot i que hi ha aquest soroll, com es va posar un filtre passa baixos després de l'entrada de corrent al model del Typhoon, el soroll es veu molt reduït i, per tant, no té tanta influència en els paràmetres del model. Això es pot veure molt bé en la figura 5.19, ja que es veu com el voltatge que surt del Regatron té molt de soroll mentre que el voltatge de la bateria en el model no en té gaire en comparació. També es pot veure en què en la temperatura i el SoC són pràcticament iguals a la prova feta amb el virtual HIL pel que s’ha aconseguit un model totalment funcional. Figura 5.19. Vbatmesu, vBat, iBatmesu, SoC i temperatura en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 En la figura 5.20 es pot veure més de prop fent un zoom a una part dels resultats el voltatge mesurat per l’oscil·loscopi, el voltatge de la bateria i el voltatge que surt del pin analògic del Typhoon, també es pot apreciar el corrent mesurat per l’oscil·loscopi i la del model. En aquesta figura es pot veure com hi ha soroll tant el voltatge que surt del Typhoon com el del Regatron mentre que en el del model no, com ja s’havia vist abans. També es pot apreciar com s’ha aplicat correctament el factor d'escalat a les entrades i sortides analògiques del model, ja que quan hi ha uns 8 V al pin del Typhoon hi ha 400 V al DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 69 Regatron, tenint en compte que amb 10 V són els 500 V màxims del Regatron és correcte el valor del pin obtingut. Figura 5.20. Vbatmesu, vBat, vBatTH, iBatmesu i iBat en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 Respecte dels corrents es pot veure com el corrent del model continua amb una mica del corrent mesurat per l’oscil·loscopi que és la que surt del segon Regatron que és el que funciona com a càrrega generant el perfil de corrents. Es pot veure com hi ha una mica de delay entre els dos corrents, això és perquè el corrent surt del segon Regatron al primer, i després al Typhoon generant aquesta petita diferència. Memòria 70 Figura 5.21. Vbatmesu, vBat, vBatTH, iBatmesu i iBat en funció del DoD i la temperatura. Prova de descàrrega i després càrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 En la figura 5.21 es pot veure com varien la temperatura, les resistències i les capacitàncies del model. Aquestes ho fan de la mateixa manera que en el Vitual HIL, pel que el model funciona de manera satisfactòria amb els Regatrons. 5.3.4. Prova amb el Typhoon HiL 404 i dos Regatrons G5 (Càrrega i descàrrega de la bateria amb SoC inicial del 50%) Aquesta última prova serà de càrrega i descàrrega, el perfil de corrent serà el que es pot veure en la figura 5.22 (ibatmesu). En aquest cas també es pot apreciar que els resultats son els mateixos que amb el virtual HIL i com el soroll ha sigut filtrat de manera satisfactori dins del model al Typhoon HIL, clarament una mica del soroll entra al model però es molt poc pel que no te una influencia significativa en els resultats. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 71 Figura 5.22. Vbatmesu, vBat, iBatmesu, SoC i temperatura en funció del DoD i la temperatura. Prova de càrrega i després càrrega amb el Typhoon HiL i els dos Regatrons G5 En la figura 5.23 es pot veure millor el voltatge de la bateria en el model, respecte els voltatges es el mateix que en la prova anterior sent els mateixos valors però el VbatTh estan escalat per al interval de 0 V a 10 V. En les corrents es pot veure com hi ha una mica més de delay entre les dos corrents que en la prova anterior, això probablement succeeix ja que les dades del oscil·loscopi tenien un diferent sample rate que el del Typhoon pel que es va tenir que interpolar els valors per a poder posar-los en un mateix gràfic. A més els primers valors en els resultats mesurats per l’oscil·loscopi donaven resultats que no tenien a veure amb la resta degut a que l’oscil·loscopi agafava 5000 s mentre que les proves van durar un 3300 s. Pel que es van tenir que treure, però a causa del soroll va ser difícil veure on començava exactament els resultats del oscil·loscopi fent que hi hagi aquest delay una mica més gran. Memòria 78 Respecte a alternatives de tecnologies es podria haver utilitzar un altre proveïdor, com es va mencionar a l’estat de l’art hi ha altres proveïdors d’aquest tipus de sistemes HIL e inclòs en disposàvem d’un que era l’OPAL, però com s’ha vist en el càlcul de les emissions de 𝐶𝑂2 el major consum el té l’us de l’ordinador pel que tampoc faria una gran diferencia en tema de consum i impacte ambiental. Aquest treball no segueix com a tal una economia circular, però es perquè no es el seu objectiu com a tal, esta més centrat en no fer servir bateries reals amb els seus components que poder arribar a ser perillosos per al medi ambient en comptes de reutilitzar. 6.2. Punt de vista econòmic Una vegada s’ha analitzat el punt de vista ambiental es farà el mateix amb el punt de vista econòmic, aquest treball no te com objectiu aconseguir un guany econòmic pel que no es farà un anàlisis econòmic tenint en compte el VAN, TIR, Payback etc... sinó que només es tindrà en compte els cost dels aparells/components fets servir per a realitzar les proves per saber el cost de fer aquest tipus de proves i la seva amortització. També s’estimarà el cost de personal que seria jo mateix, i el cost de l’ús de l’electricitat amb el consum calculat en l’apartat anterior. Per a veure el cost total dels aparells, s’ha tingut en compte el cost de comprar el Typhoon HiL 404, el Breakout Board per al Typhoon, els cost de compra dels dos Regatrons G5, el cost del oscil·loscopi i de les sondes de corrent i voltatge. Els costos han sigut proporcionats per l’Àlber. Taula 6.5. Cost dels aparells per a realitzar les proves Component Imatge Cost unitari (€/unitat) Typhoon HiL 404 Figura 6.1. Imatge del Typhoon HIL 404 20000 DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 79 Taula 6.6. Cost dels aparells per a realitzar les proves (Continuació) Component Imatge Cost unitari (€/unitat) Regatron G5 Figura 6.2. Imatge dels dos Regatrons G5 41000 Breakout Board Figura 6.3. Imatge del Breakout Board del Typhoon HIL 300 Memòria 80 Taula 6.7. Cost dels aparells per a realitzar les proves (Continuació 2) Component Imatge Cost unitari (€/unitat) Oscil·loscopi (Yokogawa) Figura 6.4. Imatge del Oscil·locopi utiltizat 10000 Sonda corrent Figura 6.5. Imatge de la sonda de corrent utilitzada 1000 Sonda voltatge Figura 6.6. Imatge de la sonda de tensió utilitzada 600 DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 81 En la taules 6.5, 6.6 i 6.7 es poden veure es pot veure el cost de cada aparell/component fet servir per a realitzar les proves a més d’una imatge realitzada al laboratori. Taula 6.8. Cost total dels aparells i amortització (€/h) Component Unitats Cost total (€) Amortització (€/h) Typhoon HiL 404 1 20000 0,4566 Regatron G5 2 82000 1,8722 Breakout Board 1 300 0,0068 Oscil·loscopi 1 10000 0,2283 Sonda corrent 1 1000 0,0228 Sonda voltatge 2 1200 0,0274 El cost total dels aparells es de 114500 € i el d’amortització de 2,6141 €/h totals com es pot veure a la taula 6.8. Segons [20] el cost l’electricitat a Espanya va ser de 0,2436 € 𝑘𝑊ℎ al Juny de 2024 i s’ha agafat aquest valor com a referencia. Tenint en compte aquest cost i el consum calculat en l’apartat anterior s’obté un cost de l’electricitat de 30,17 €. Per últim es calcularà els costos d’enginyeria, per aquest motiu s’ha tingut en compte quin es el salari per hora d’un enginyer junior a España sent de 13,08 € ℎ [21], si tenim en compte les 498,5 h treballades al IREC s’obté un total de 6520,38 €. Un altre cost a tenir en compte es el de les llicències del programari utilitzat sent de 69 € per al MATLAB [22] per a estudiants, la llicencia del Typoon HIL venia inclosa amb le preu del producte. Amb tot això s’obté un cost total de 121119,55 €, així de primeres pot semblar un preu una mica elevat però tenint en compte les proves que permeten fer aquest tipus de sistemes surt rentable no només per la seguretat sinó també per la versatilitat, a més una vegada comprats els aparells el cost es baix ja que com s’ha vist el cost de l’elèctricitat es d’uns 30 € i els costos d’enginyeria són baixos comparat amb el preu dels aparells. 6.3. Punt de vista social Des de el punt de vista social em centraré en dos punts, el punt de vista de les persones que hem treballat al projecte que seriem jo, el director Francisco Caselles i el co-director Àlber Filbà i després el punt de vista social per al que pot servir aquest treball. Aquest treball ha tingut un bon impacte Memòria 82 personal degut a que m’ha permès conèixer com es treballa a una empresa energètica a més d’aprendre tot un programari nou realitzant diversos cursos per aprendre a utilitzar el Typhoon HIL [23]. Després considero que tant el director com co-director m’han ajudat en tot el que han pogut tenint en compte que estaven bastant ocupats, considero que per a ells sempre es bo ajudar a futurs nous enginyers a aprendre. Respecte el punt de vista social aquest treball amb aquests tipus de sistemes PHIL poder ajudar al desenvolupament de noves tecnologies molt més rapida, d’una manera segura i més econòmica a més de menys contaminant al no utilitzar els components reals de les proves. Per tant aquest tipus de treballs poden ser d’una gran ajuda per a la societat en un punt molt important com es l’energia i la contaminació ja que estem en un punt en el que canvi climàtic es una gran preocupació no sol per al present sinó per al futur. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 83 Conclusions Com a conclusió d’aquest treball s’han aconseguit complir els objectius, ja que s’ha aconseguit desenvolupar el sistema PHIL amb el Typhoon HIL 404 i els dos Regatrons G% amb els tests de càrrega i descàrrega adients al laboratori del IREC emulant i monitoritzant una bateria d’ió liti de manera satisfactòria. Els resultats obtinguts han sigut adients a la diferent documentació trobada a la literatura sobre models elèctric i tèrmics de la bateria que han sigut aplicats al model dissenyat. Tot i que el model utilitzat està bastant simplificat i durant la recerca s’han trobat models més complexos, aquest aconsegueix emular d’una manera bastant realista la variació del SoC, el voltatge de la bateria i la temperatura en funció de si s’està descàrregant o càrregant. Un altre tema a mencionar sobre aquest treball es aprendre a fer servir un sistema que tot i que es semblant al MATLAB, te varies diferencies sobretot per poder interactuar amb altres dispositius que es el objectiu d’un sistema PHIL. Pel que es van fer els cursos donats per la HIL Academy dedicant una quantitat d’hores considerables en aprendre a utilitzar correctament tant el schematic editor on es realitza el model com el HIL SCADA on es monitoritzen els resultats i es poden exportar els valors obtinguts, a més de poder modificar valors amb el mateix SCADA que es el que es va fer servir per les proves amb el virtual HIL. També a destacar que com s’ha confirmat en les proves, utilitzar un sistema PHIL dona seguretat al no fer servir els components reals ja que per exemple en les proves del model termoelèctric final s’obtenien unes temperatures elevades provocant un sobreescalfament en la bateria si fos una real. Les entrades i sortides analògiques també van tenir un paper important ja que es va tenir que buscar als datasheets quin interval de valors tenien els pins per poder escalar-lo al model. També s’ha de mencionar la importància del MATLAB en aquest treball ja que no només s’ha fet una prova inicial amb aquest per poder comparar-ho amb el Typhoon, sinó que s’ha utilitzat en diversos càlculs. Un aspecte important es l’impacte ambiental d’aquest treball, com s’ha pogut comprovar en el anàlisis ambiental les emissions de carboni estimades han sigut molt baixes i amb aquest tipus de sistemes també es redueix l’ús de les bateries d’io liti que són contaminants i poden ser perilloses. Econòmicament tant el Typhoon com els Regatron com l’oscil·loscopi tenen un cost considerable, però tenint en compte que es podran fer servir durant bastant anys i que el Typhoon HIL permet una gran versatilitat al hora de realitzar els models ja que mentre tinguis els models matemàtics el pots aplicar dins del schematic editor, crec que surt a compte disposar d’aquest aparells. Aquest tipus de sistemes HIL poden ser d’una gran ajuda de cara al futur per a realitzar proves d’una manera més segura, menys contaminant i més econòmica a llarg termini que utilitzar els components reals, sobretot per a les Memòria 84 energies renovables i els sistemes d’emmagatzematge que cada vegada tenen més importància degut a la situació actual del planeta amb el canvi climàtic. Finalment tant el Francisco Casella com l’Àlber Filbà m’han ajudat bastant en la realització del treball i d’aquesta memòria i per tant tenen part del mèrit dels resultats satisfactoris d’aquest treball, també alguns companys en l’IREC em van ajudar a aprendre sobre el Typhoon com sobre les bateries. Un altre tema es que també es va pensar en fer més provés amb diferents perfils de corrent com per exemple un perfil de conducció típic d’un vehicle elèctric, però finalment no va donar temps a fer-ho. Tot i així considero que els resultats obtinguts son prou bons i han validat el correcte desenvolupament i disseny del model utilitzat. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 85 Bibliografia [1] IEEE Xplore [en línia]. Disponible en: https://ieeexplore-ieeeorg.recursos.biblioteca.upc.edu/Xplore/home.jsp [consulta: 1 octubre 2024]. [2] ScienceDirect [en línea]. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/ [consulta: 1 octubre 2024]. [3] Hardware-in-the-loop. En: Wikipedia, la enciclopedia libre [en línea]. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Hardware-in-the-loop [consulta: 1 octubre 2024]. [4] BUSQUETS MONGE, Sergio; FILBÀ MARTÍNEZ, Àlber; ALEPUZ, Salvador; NICOLA APRUZZESE, Joan; LUQUE, Adrià; CONESA ROCA, Alfonso, 2019. Multibattery-Fed Neutral-Point-Clamped DC–AC Converter With SoC Balancing Control to Maximize Capacity Utilization,. IEEE Xplore [en línia]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 67, No. 1, gener 2020, pag. 16-27. Disponible en: https://ieeexplore-ieee-org.recursos.biblioteca.upc.edu/document/8635525 [consulta: 1 octubre 2024]. [5] REN, Honglei; JIA, Li; LIAOFEI, Yin; DANG, Chao; CHEN, Zhifeng, 2024. Research on battery pack SOC consistency based on the electric-thermal-fluid coupling model. ScienceDirect [en línia]. Journal of Energy Storage. Vol. 97, Part A, Setembre 2024, 112924. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X24025106 [consulta: 15 octubre 2024]. [6] RIZELLO, Alessandro; SCAVUZZO, Santo; FERRARIS, Alessandro; GIANCARLO AIRALE, Andrea; CARELLO, Massimiliana, 2020. Temperature-Dependent Thévenin Model of a Li-Ion Battery for Automotive Management and Control. IEEE Xplore [en línia]. 2020 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2020 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe. Disponible en: https://ieeexplore-ieee-org.recursos.biblioteca.upc.edu/document/9160544 [consulta: 30 octubre 2024]. [7] WebPlotDigitaizer. En: automeris.io [en línea]. Disponible en: https://automeris.io/ [consulta: 30 octubre 2024]. [8] HU, Xiao; LIN, Shaohua; STANTON, Scott; LIAN, Wenyu, 2011. A Foster Network Thermal Model for HEV/EV Battery Modeling. IEEE Xplore [en línia]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 47, No. 4, juliol/agost 2011, pag. 1692-1699. Disponible en: https://ieeexplore-ieeeorg.recursos.biblioteca.upc.edu/document/5766741 [consulta: 14 novembre 2024]. Memòria 86 [9] Thermal network. En: Typhoon HiL Documentation [en línia], Disponible en: https://www.typhoonhil.com/documentation/typhoon-hil-software-manual/References/thermal_network.html [consulta: 14 novembre 2024]. [10] SZARDENINGS, Anna; FASSBENDER, Heike; PETERSEN, Niels, 2020. Concept for thermal analysis of batteries using reduced order modeling. ResearchGate [en línia]. International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics ICNAAM 2020. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/359795830_Concept_for_thermal_analysis_of_batteries _using_reduced_order_modeling [consulta: 23 novembre 2024]. [11] Transformada de Laplace en circuitos. En: Wikipedia, la enciclopedia libre [en línia]. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Transformada_de_Laplace_en_circuitos [consulta: 27 novembre 2024]. [12] Resistencia térmica de los materiales de construcción. Rhonatherm [en línia]. Disponible en: https://www.saterhonatherm.com/blog/resistenciatermica/#:~:text=La%20unidad%20de%20medida%20de,material%20entre%20su%20conductividad %20t%C3%A9rmica [consulta: 27 novembre 2024]. [13] Capacitat tèrmica. En: Viquipèdia, l’enciclopèdia lliure [en línia]. Disponible en: https://ca.wikipedia.org/wiki/Capacitat_t%C3%A8rmica#:~:text=Les%20unitats%20de%20la%20 capacitat,J%C2%B7K%2D1 [consulta: 27 novembre 2024]. [14] Time constant. En: Wikipedia, The Free Encyclopedia [en línia]. Disponible en: https://en.wikipedia.org/wiki/Time_constant [consulta: 27 novembre 2024]. [15] ¿Qué es el BMS de una batería de litio?. En: Motor, Blogs Mapre [en línia]. Disponible en: https://www.motor.mapfre.es/consejos-practicos/consejos-de-mantenimiento/bms-bateria/ [consulta: 1 desembre 2024]. [16] Anàlisi de sostenibilitat i implicacions ètiques per a TFE a l’EEBE. EEBE UPC [en línia]. Disponible en: https://eebe.upc.edu/ca/estudis/normatives-academiques/documents/guia-per-lanalisi-desostenibilitat-i-implicacions-etiques-del-tfe-a-leebe-1.pdf [consulta: 15 desembre 2024]. [17] ¿Cuál es el consumo de un ordenador? Repsol [en línia]. Disponible en: https://www.repsol.es/particulares/asesoramiento-consumo/cuanto-consumeordenador/#:~:text=Por%20lo%20general%2C%20un%20ordenador,cuenta%20el%20tiempo%20de %20uso. [consulta: 22 desembre 2024]. DESENVOLUPAMENT D'UN SISTEMA POWER-HARDWARE-IN-THE-LOOP PER A L'EMULACIÓ D'UNA BATERIA D'IÓ LITI. 87 [18] ¿Cuántos kWh consume una casa al mes? Repsol [en línia]. Disponible en: https://www.repsol.es/particulares/asesoramiento-consumo/cuantos-kwh-consume-casa/ [consulta: 27 desembre 2024]. [19] Electricity Maps, España, 12 months. Electricity Maps [en línia]. Disponible en: https://app.electricitymaps.com/zone/ES/12mo [consulta: 27 desembre 2024]. [20] España – Precios de la electricidad de los hogares. Datosmacro [en línia]. Disponible en: https://datosmacro.expansion.com/energia-y-medio-ambiente/electricidad-precio-hogares/espana [consulta: 2 gener 2025]. [21] Salario medio para Ingeniero Junior en España, 2025. Talent [en línia]. Disponible en: https://es.talent.com/salary?job=ingeniero+junior#:~:text=%C2%BFCu%C3%A1nto%20gana%20un% 20Ingeniero%20junior%20en%20Espa%C3%B1a%3F&text=El%20salario%20ingeniero%20junior%20p romedio,hasta%20%E2%82%AC%2031.895%20al%20a%C3%B1o. [consulta: 6 gener 2025]. [22] Precios de MATLAB. MathWorks [en línia]. Disponible en: https://es.mathworks.com/pricinglicensing.html?prodcode=ML&intendeduse=student [consulta: 6 gener 2025]. [23] HIL Academy courses. HIL Academy [en línia]. Disponible en: https://hil.academy/courses/?current_page=1&search=&type=all&order=desc&orderby=alphabetica l&filter-categories=hil-specialist-2-0&request_url=https%3A%2F%2Fhil.academy%2Fcourses%2F [consulta: 1 octubre 2024].