Desarrollo de sistema de almacenamiento de energía para smart grids

UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA T´ ECNICA SUPERIOR DE INGENIER´ IA DEPARTAMENTO DE AUTOM´ ATICA Y ROB´ OTICA TRABAJO FIN DE M´ ASTER: DESARROLLO DE SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERG´ IA PARA SMART GRIDS Trabajo presentado por Francisco Javier Murillo Arroba para el m´aster de aut´omatica, rob´otica y telem´atica en la universidad de Sevilla Supervisado por: Jos´e Ramiro Mart´ınez de Dios ´ Indice general 3 1. Introducci´on 3 1.1. Antecedentes ..................................... 3 1.2. Objetivos ....................................... 4 1.3. Metodolog´ıa...................................... 5 1.4. Estructura del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Estado del arte 7 2.1. Introducci´on...................................... 7 2.2. SmartGrids...................................... 7 2.2.1. Energ´ıas renovables dentro de la Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2. Sistemas de almacenamiento dentro de la Smart Grid . . . . . . . . . . . 9 2.3. Sistemas de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3.1. Sistemas de almacenamiento de energ´ıa el´ectrica . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.2. Tiposdebater´ıas............................... 14 2.3.3. Tecnolog´ıas utilizadas en bater´ıas de litio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.4. Comparativa entre las diferentes bater´ıas de litio . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4. Metodolog´ıaenV................................... 22 2.4.1. Objetivos del m´etodo en V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.2. Partes del diagrama en V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.3. Fases del m´etodo en V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.4. Otros tipos de m´etodolog´ıa para gesti´on de proyectos . . . . . . . . . . . 25 2.5. Conclusiones...................................... 27 3. Dise˜no 29 3.1. Introducci´on...................................... 29 3.2. Especificacionusuario ................................ 30 3.2.1. Caracter´ısticas funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.2. Caracter´ısticas operacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.3. Robustez y mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3. Especificaci´on de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.1. Clasificaci´on de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.2. M´odulodepotencia.............................. 35 3.3.3. M´odulo de protecciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.4. M´odulodecontrol .............................. 38 3.3.5. M´odulo de comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3.6. M´odulo de monitorizaci´on e interacci´on con el usuario . . . . . . . . . . . 40 3.4. Especificaci´on de detalles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4.1. Detalle del m´odulo de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4.2. Detalle del m´odulo de protecciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Francisco Javier Murillo Arroba 1 26 de noviembre de 2016 ´ INDICE GENERAL ´ INDICE GENERAL 3.4.3. Detalle de m´odulo de comunicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.4. Detalle de m´odulo de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.5. Detalle de m´odulo de interacci´on con el usuario . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5. Conclusiones...................................... 53 4. Desarrollo 54 4.1. Introducci´on...................................... 54 4.2. Desarrollodedetalle ................................. 54 4.3. Desarrollo de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.4. Desarrollodeusuario................................. 78 4.5. Conclusiones...................................... 81 5. Experimentaci´on 82 5.1. Pruebas sobre el bus y dispositivos de comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.1.1. Comunicaci´on del BMS local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.1.2. Comunicaci´on del BMS central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.1.3. Comunicaci´on del SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2. Pruebas de los mecanismos de seguridad implementados . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2.1. Conexi´on inicial del equipo al bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2.2. Paso del estado de funcionamiento correcto a error y viceversa . . . . . . 86 5.3. Calibraci´on de los sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4. Pruebas de aislamiento del equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.5. Pruebas de transitorios sobre el bus de comunicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.6. Pruebas de carga/descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.7. Prueba de puesta en marcha con inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.8. Pruebas de funcionamiento del SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6. Conclusiones y desarrollos futuros 96 6.1. Conclusiones...................................... 96 6.2. Desarrollosfuturos .................................. 97 6.2.1. BMSpropio.................................. 97 6.2.2. Algoritmo de control en funci´on de la demanda . . . . . . . . . . . . . . 97 6.2.3. Equipos de menor potencia con celdas Panasonic . . . . . . . . . . . . . 98 Francisco Javier Murillo Arroba 2 Cap´ıtulo 1 Introducci´on 1.1. Antecedentes Debido al aumento de la demanda de energ´ıa en todo el mundo y al agotamiento de los recursos energ´eticos m´as comunes (como el petr´oleo, carb´on, gas natural y uranio), actualmente se busca la forma de adquirir nuevos tipos de energ´ıa, disminuir los consumos y optimizar la gesti´on. Una soluci´on cada vez m´as extendida a este problema es el aportado por la red el´ectrica inteligente (REI o smart grid), considerada la siguiente generaci´on de la red el´ectrica tradicional. Esta red el´ectrica inteligente tiene como objetivo mejorar la eficiencia de la red el´ectrica actual, apoy´andose en tecnolog´ıas de la informaci´on y la comunicaci´on para poder tener un mayor conocimiento de la red y poder realizar acciones de control sobre ella, optimizando su funcionamiento. Por otra parte, la demanda energ´etica actual obliga a buscar nuevas formas de generaci´on de energ´ıa, entre las cuales las fuentes de energ´ıa renovable est´an teniendo gran acogida, ya que son formas alternativas de generaci´on de energ´ıa diferentes a las fuentes convencionales y no contaminan el medio ambiente. Combinando la smart grid con estas nuevas fuentes de generaci´on se puede alcanzar una gran mejora sobre la actual demanda energ´etica. A su vez, la implantaci´on de las smart grids provoca la migraci´on de la red el´ectrica tradicional centralizada, a un nuevo concepto de red el´ectrica, la red el´ectrica distribuida, donde cada nodo de la red se convierte en una parte activa de la misma, pudiendo ser tanto un consumidor de energ´ıa como un generador o un punto de almacenamiento de la misma. Para apoyar esta nuevo marco de generaci´on de energ´ıa se hacen indispensables sistemas de almacenamiento, que permitan a los usuarios de la red poder almacenar y gestionar tanto la energ´ıa generada como la que circula por la propia red, siendo estos sistemas de almacenamiento unos dep´ositos de energ´ıa que se utilizar´an para alcanzar una mayor eficiencia de la red el´ectrica. Actualmente una de las tecnolog´ıas punteras de estos sistemas de almacenamiento son las bater´ıas basadas en litio, las cuales han abaratado su coste en la actualidad debido a las mejoras en los procesos de fabricaci´on y se han consolidado como una de las mejores opciones a la hora de dise˜nar e implementar un sistema de almacenamiento de energ´ıa. Por su coste cada vez menor y sus prestaciones (alto rendimiento,numero elevado de ciclos de descarga, gran densidad de energ´ıa, etc.) cada vez m´as aplicaciones utilizan tecnolog´ıa basada en bater´ıas de litio. Este trabajo en concreto se centra en el dise˜no, desarrollo e implementaci´on de un sistema de almacenamiento basado en bater´ıas de litio, con el fin de integrar este sistema posteriormente dentro de una smart grid y que le sirva como soporte a la hora de gestionar la red el´ectrica. El desarrollo de un sistema de estas caracter´ısticas es un proyecto bastante complejo y que conlleva muchos riesgos, para minimizar estos riesgos y encuadrar el desarrollo de la aplicaci´on dentro de ciertas condiciones de garant´ıa y seguridad se va a utilizar un m´etodo de desarrollo Francisco Javier Murillo Arroba 3 26 de noviembre de 2016 CAP´ ITULO 1. INTRODUCCI´ ON 1.2. OBJETIVOS de proyectos denominado metodolog´ıa en V. La metodolog´ıa de desarrollo en V fue desarrollado por la Administraci´on Federal Alemana para regular el proceso de desarrollo de software, aunque puede ser utilizado para proyectos de cualquier tipo, describe las actividades y resultados obtenidos durante el desarrollo y proporciona una gu´ıa para la planificaci´on de proyectos. Se basa en una continua verificaci´on y testeo de los productos desarrollados con el fin de que estos se ajusten en todo momento a las especificaciones deseadas. Esta metodolog´ıa proporciona grandes beneficios a la hora de plantear y desarrollar un proyecto, ya que da una idea muy aproximada de los costes y el esfuerzo que supondr´a el proyecto, pudiendo tomar decisiones sobre su viabilidad y proporcionando al encargado del proyecto informaci´on necesaria para poder identificar de antemano puntos de riesgo en el proyecto y mejorarlos. Por lo tanto el objetivo final de este trabajo ser´a el de dise˜nar e implementar un sistema de bater´ıas de litio para apoyo en smart grids basando el desarrollo de este proyecto en una metodolog´ıa de desarrollo que proporcione seguridad y calidad, como es el m´etodo de desarrollo en V. 1.2. Objetivos El dise˜no e implementaci´on de un sistema de almacenamiento orientado a soporte de red en smart grids proporcionar´a un conocimiento en mayor profundidad de como funcionan y se comportan este tipo de dispositivos, adem´as al enmarcar todo este dise˜no y desarrollo dentro de la metodolog´ıa en V el proceso quedar´a perfectamente documentado, obteniendo tambi´en la calidad deseada en el producto final. Como objetivos principales de este trabajo cabe destacar: Adquirir un conocimiento b´asico del contexto de las energ´ıas renovables dentro de una smart grid as´ı como de la importancia del sistema de almacenamiento de energ´ıa para la gesti´on y regulaci´on de la red el´ectrica. Conocer las diferentes tecnolog´ıas de sistemas de almacenamiento existentes y en especial las basadas en bater´ıas de litio, conocer sus particularidades, caracter´ısticas y principales aplicaciones y tecnolog´ıas. Enmarcar el dise˜no e implementaci´on del equipo dentro dentro de la metodolog´ıa de desarrollo en V, documentando y desglosando todas las especificaciones requeridas en el equipo. Desarrollar el equipo especificado anteriormente en la definici´on del proyecto, desarrollar cada parte ajustandose lo m´aximo posible a las especificaciones dadas. Comprobar y validar de forma continua que cada parte del equipo que se desarrolle cumpla con las especificaciones mediante las pruebas y los test necesarios. Una vez completado el desarrollo total del equipo validar que cumpla las especificaciones pedidas y realizar varias pruebas y tests que validen su correcto funcionamiento, simulando las cargas y descargas propias que podr´ıa sufrir dentro de una smart grid real. El cumplimiento de todos los objetivos mencionados anteriormente concluir´a con la correcta finalizaci´on del proyecto, dando paso a la integraci´on del equipo dentro de una smart grid real, pudiendo utilizar este equipo posteriormente para el desarrollo y testeo de algoritmos de control dentro de una smart grid con sistema de almacenamiento de energ´ıa. Francisco Javier Murillo Arroba 4 CAP´ ITULO 1. INTRODUCCI´ ON 1.3. METODOLOG´ IA 1.3. Metodolog´ıa Es necesario establecer un m´etodo que permita realizar el trabajo de forma ordenada, partiendo de los fundamentos b´asicos y necesarios para contextualizar el proyecto y siguiendo por la implementaci´on de la metodolog´ıa en V como m´etodo de desarrollo final para el proyecto. La metodolog´ıa llevada a cabo para la realizaci´on de este trabajo es la siguiente: En primer lugar se realiz´o un estudio del arte sobre el contexto en el que se enmarcar´ıa el sistema de almacenamiento, profundizando en smart grids y energ´ıas renovables. Posteriormente se estudi´o la tecnolog´ıa de sistemas de almacenamiento basados en bater´ıas de litio, profundizando en sus aplicaciones, caracter´ısticas y funcionamiento, as´ı como en los diferentes tipos de celdas de litio existentes en la actualidad. Una vez realizado el estudio del sistema de almacenamiento y su contexto se dise˜n´o las especificaciones del equipo a implementar, niveles de tensi´on, potencia, componentes, celdas concretas que montar´ıa etc. Con los requerimientos del equipo ya calculados se pas´o a implementar la metodolog´ıa de dise˜no en V para la creaci´on y validaci´on del dispositivo final. En un primer paso y siguiendo la metodolog´ıa de dise˜no en V se definir´an las especificaciones de usuario del equipo, as´ı como las especificaciones de cada parte del equipo y de los componentes que montar´a, documentando todo el dise˜no para poder llevarlo a cabo en la parte de implementaci´on. Posteriormente se desarrollar´an todos los componentes definidos en la fase previa, contactando con proveedores para el suministro de los materiales y desarrollando tanto la parte hardware como software que el equipo necesitar´a. Una vez que termine el desarrollo de una parte concreta del equipo esta ser´a testeada y validada para comprobar que cumpla con las especificaciones, como exige la metodolog´ıa de desarrollo en V. Al acabar el desarrollo y validaci´on de todas las partes del equipo este se ensamblar´a y se validar´a, para comprobar que cumple con las especificaciones de usuario. Finalmente una vez validad el equipo se le someter´a a pruebas de carga y descarga simulando una smart grid, con el fin de comprobar que su funcionamiento dentro del entorno en el que se instalar´a posteriormente es el correcto. Esta ser´a la metodolog´ıa llevada a cabo para la realizaci´on del proyecto, cumpliendo en todo momento con los objetivos generales del proyecto y las especificaciones de dise˜no que se describan para el equipo. 1.4. Estructura del documento Este trabajo se encuentra dividido en 6 cap´ıtulos. Los dos primeros cap´ıtulos se centran en la explicaci´on general del proyecto, exponiendo en el cap´ıtulo 2 el estado del arte de los sistemas de almacenamiento y el contexto en el que ir´a enmarcado este proyecto. Posteriormente los cap´ıtulos 3 y 4 se centrar´an en el m´etodo de desarrollo en V, en concreto en el cap´ıtulo 3 se desarrollar´a la parte de especificaciones del proyecto y el cap´ıtulo 4 se Francisco Javier Murillo Arroba 5 CAP´ ITULO 1. INTRODUCCI´ ON 1.4. ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO centrar´a en la parte de desarrollo y validaciones, quedando despu´es de estos dos cap´ıtulos el equipo totalmente definido y validado. Finalmente los cap´ıtulos 5 y 6 recoger´an las conclusiones finales, pruebas sobre el equipo y nuevas l´ıneas de desarrollo, culminando el trabajo en el cap´ıtulo 6 con las futuras aplicaciones que se podr´ıan desarrollar en el equipo final. Francisco Javier Murillo Arroba 6 Cap´ıtulo 2 Estado del arte 2.1. Introducci´on En este cap´ıtulo se realizar´a una descripci´on de los conceptos principales involucrados en la creaci´on del equipo de almacenamiento de energ´ıa, as´ı pues se explicar´a el concepto de Smart Grid, marco energ´etico donde se justifica la creaci´on del equipo. Posteriormente se analizar´a el sistema de almacenamiento de energ´ıa, proporcionando una visi´on general del mismo y de sus posibles aplicaciones y finalmente se realizar´a una descripci´on de la metodolog´ıa en V, metodolog´ıa seguida para llevar a cabo el proyecto de dise˜no e implementaci´on del equipo de almacenamiento. Al exponer los elementos descritos en el p´arrafo anterior se realizar´a un estudio del estado del arte de cada uno de ellos, mencionando las diferentes tecnolog´ıas, tipos y m´etodos m´as relevantes en la actualidad, con el fin de dar una visi´on m´as global de proyecto y su entorno. 2.2. Smart Grids Como definici´on global, la smart grid o red electrica inteligente (REI) puede definirse como la combinaci´on de los desarrollos logrados en ingenier´ıa el´ectrica, con los avances en las tecnolog´ıas de la informaci´on y la comunicaci´on (TIC), con el fin de alcanzar un sistema el´ectrico m´as eficiente. Este sistema m´as eficiente se alcanza al concatenar los elementos cl´asicos de generaci´on, transmisi´on y comercializaci´on de energ´ıa con instrumentos digitales de medici´on y control, desde peque˜nos contadores electr´onicos a nivel de usuario hasta analizadores de red dentro los entornos m´as industriales. Esto permite una comunicaci´on bidireccional entre usuario y empresa haciendo posible una mejor gesti´on de la energ´ıa por ambas partes. Desde el punto de vista del consumidor: El consumidor puede conocer en todo momento la tarifa que le est´a siendo aplicada as´ı como su consumo en tiempo real, pudiendo gestionar de una forma m´as eficiente los picos de consumo y distribuirlos a lo largo del d´ıa evitando un gasto excesivo. Se le puede proporcionar a la central generadora la informaci´on del estado de la red en tiempo real, con el fin de que esta mejore el servicio de la misma o pueda solucionar las incidencias de una forma m´as r´apida y efectiva. Desde el punto de vista de la generaci´on: Las empresas generadoras pueden conocer con mayor detalle y rapidez el estado de la red el´ectrica en todo momento, as´ı como generar hist´oricos que les permita adelantarse a los picos de demanda que puedan surgir. A la hora de mejorar el servicio o solucionar incidencias se podr´an obtener y consultar todos los datos obtenidos de los usuarios, pudiendo realizar estas tareas de forma m´as eficiente y r´apida, aumentando as´ı la satisfacci´on de los clientes y generando un valor a˜nadido al producto Francisco Javier Murillo Arroba 7 26 de noviembre de 2016 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.2. SMART GRIDS Los principales objetivos que persigue una smart grid se pueden resumir en: Aumentar la calidad y fiabilidad del suministro el´ectrico: haciendo uso de los datos acumulados se pueden realizar tareas de prevenci´on m´as concretas a la hora de realizar el mantenimiento de la red, prevenir posibles aver´ıas comunes y en caso de que estas ocurran realizar una mejor gesti´on de la misma, solucionando las incidencias en un tiempo menor. Mejorar la eficiencia: se pueden gestionar mucho mejor los picos de demanda de energ´ıa el´ectrica, facilitando un mayor aprovechamiento de la misma y disminuyendo la carga de trabajo de los centros generadores. Facilitar a los clientes la gesti´on de su consumo el´ectrico: la smart grid pone a disposici´on de los usuarios la informaci´on y las herramientas necesarias para poder tomar decisiones sobre el uso de la energ´ıa consumida. Contribuir al mantenimiento de la sostenibilidad ambiental: la smart grid, debido a la mayor capacidad de gesti´on que ofrece se convierte en el marco perfecto para la integraci´on de las energ´ıas renovables en la red el´ectrica, permitiendo obtener un mayor rendimiento y una mejor gesti´on de las mimas. En la figura 2.1 se ilustra esquem´aticamente la diferencia entre el sistema de distribuci´on de energ´ıa tradicional (centralizado) y el sistema implementado por la smart grid (sistema distribuido). Figura 2.1: Diferencia entre sistema tradicional y smart grid 2.2.1. Energ´ıas renovables dentro de la Smart Grid Al introducir las energ´ıas renovables dentro de las smart grids es cuando se alcanza el punto de m´aximo aprovechamiento de las mimas. Las fuentes de energ´ıa renovable con m´as impacto en la actualidad son las fuentes de energ´ıa solar y e´olica, el principal inconveniente de estas fuentes es que su suministro var´ıa en funci´on del clima y es aqu´ı donde la smart grid alcanza una gran funcionalidad al regular la integraci´on de estos nuevos componentes en la red. A la hora de introducir las energ´ıas renovables dentro de una smart grid se produce un cambio en el sistema energ´etico, pasando de un sistema centralizado como el actual, donde la energ´ıa s´olo fluye en un sentido, a un sistema distribuido donde cada nodo de la red puede ser generador y consumidor al mismo tiempo. Francisco Javier Murillo Arroba 8 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.3. ALMACENAMIENTO DE ENERG´ IA Densidad de energ´ıa: la densidad de energ´ıa mide la capacidad de una bater´ıa con respecto a su peso, es un factor a tener en cuenta, ya que para muchas aplicaciones una bater´ıa con alta capacidad y poco peso es necesaria, como por ejemplo en un coche el´ectrico, se mide en watios por kilogramo(W/Kg). Estas caracter´ısticas est´an determinadas por la composici´on de materiales de cada bater´ıa, pudiendo variar ligeramente dentro de una misma composici´on pero manteni´endose siempre dentro de unas caracter´ısticas generales que identifican cada tipo de bater´ıa. Los tipos de bater´ıa m´as utilizados se muestran a continuaci´on: Bater´ıas de plomo-´acido Este tipo de bater´ıas est´an formadas por un dep´osito de ´acido sulf´urico y dentro de ´el varias placas de plomo en paralelo, dispuestas alternadamente en cuanto a su polaridad y suministrando una corriente mayor al aumentar el n´umero de placas por bater´ıa.Se componen internamente de celdas que suministran una tensi´on de aproximadamente 2V. por lo tanto proporcionan tensiones m´ultiplo de dos, las m´as usuales son las de 6, 12 y 24V. Las principales ventajas de estas bater´ıas son su robustez, precio y alta tensi´on en bornas comparada con otras bater´ıas, caracter´ısticas que las hacen muy apropiadas para aplicaciones de bajo coste y especificaciones poco exigentes, como principal desventaja cabe destacar la baja densidad de energ´ıa, perdida de tensi´on progresiva con la carga y pocos ciclos de carga/descarga (entre 500 y 800). Los principales usos de estas bater´ıas en la actualidad se dan en la automoci´on como alimentaci´on para el motor de arranque de los veh´ıculos y en almacenamiento de energ´ıa, sirviendo como acumulador en instalaciones fotovoltaicas y estaciones de telefon´ıa aisladas. En la figura 2.9 se puede observar el aspecto externo de una bater´ıa de plomo y sus curvas de descarga. Figura 2.9: Bater´ıa plomo ´acido y curvas de descarga Pila alcalina Pila el´ectrica que obtiene su energ´ıa de la reacci´on qu´ımica entre en zinc y el di´oxido de magnesio, empleando electrolitos alcalinos. Producen aproximadamente 1,5V por celda Francisco Javier Murillo Arroba 15 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.3. ALMACENAMIENTO DE ENERG´ IA y tienen una densidad de energ´ıa mucho mayor que otras pilas basadas en electrolitos salinos. La capacidad de estas bater´ıas var´ıa fuertemente en funci´on de la demanda de corriente del dispositivo al que se conecten, una pila alcalina de tama˜no AA pude tener una capacidad real de 3000mAh a baja potencia pero para consumos de 1W esta capacidad pude bajar hasta los 700mAh. La tensi´on de estas bater´ıas tambi´en se reduce de forma constate al reducir su capacidad por lo que su l´ımite de uso depender´a tambi´en de la tension de corte de la aplicaci´on. Las principales ventajas de estas pilas se centran en su reducido tama˜no y su densidad de energ´ıa alta, lo que las hace muy ´utiles para aplicaciones en dispositivos de peque˜no tama˜no, dentro de sus desventajas cabe destacar la variaci´on de la capacidad real cuando la demanda de potencia es alta y la perdida progresiva de tensi´on con la capacidad. Su uso principal en la actualidad se centra en la alimentaci´on de peque˜nos dispositivos electr´onicos de bajo o medio consumo, como mandos a distancia o c´amaras de fotos. En la figura 2.10 se puede observar el aspecto externo de una pila alcalina AAA as´ı como un esquema de su funcionamiento interno. Figura 2.10: Pila alcalina AAA y funcionamiento interno Bater´ıa de n´ıquel-hierro Bater´ıa recargable compuesta por un ´anodo de ´ Oxido de n´ıquel (III)-hidr´oxido, un c´atodo de hierro y un electrolito de hidr´oxido de potasio. Suministra una tensi´on por celda de 1,2V y una densidad de energ´ıa de aproximadamente unos 30Wh/l. La principal ventaja de estas bater´ıas es su durabilidad y robustez, incluso sometida a condiciones extremas de sobrecarga, cortocircuitos y descargas profundas, puede tener una vida ´util superior a 20 a˜nos. Como principales desventajas cabe destacar un alto coste de producci´on y una retenci´on de carga bastante mala comparada con otras tecnolog´ıas. Su principal uso se centra en almacenamiento de energ´ıa para instalaciones de generaci´on de energ´ıa aislada, aunque actualmente estas bater´ıas est´an obsoletas, siendo sustituidas en la mayor´ıa de las aplicaciones por otro tipo de bater´ıas recargables. En la figura 2.11 se muestra una bater´ıa de n´ıquel hierro. Francisco Javier Murillo Arroba 16 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.3. ALMACENAMIENTO DE ENERG´ IA Figura 2.11: Bater´ıa n´ıquel-hierro Bater´ıa de iones de litio Dispositivo dise˜nado para almacenar energ´ıa el´ectrica, empleando como electrolito una sal de litio que proporciona los iones necesarios para la reacci´on electroqu´ımica reversible entre ´anodo y c´atodo. Proporcionan una tensi´on nominal por celda de entre 3,6 y 3,2V llegando a obtener una densidad de energ´ıa de entre 250-730Wh/L y un rendimiento de entre el 80-90 %. Las principales ventajas de estas bater´ıas son su elevada tensi´on nominal por celda, su gran n´umero de ciclos de carga y su alta densidad de energ´ıa, mucho mayor que la de otros tipos de bater´ıa, lo que las hace muy apropiadas para aplicaciones que requieran un gran suministro de energ´ıa pero con fuertes restricciones de peso y tama˜no de la fuente. como principales desventajas cabe destacar la necesidad de un control continuo sobre la bater´ıa para evitar situaciones de sobre carga o sobre descarga, ya que este tipo de bater´ıas es bastante fr´agil y estas situaciones as´ı como una temperatura ambiente elevada reducen dr´asticamente su vida ´util. Actualmente se puede encontrar este tipo de bater´ıas en multitud de aplicaciones, desde alimentaci´on para naves de aeromodelismo, soporte para coches el´ectricos e h´ıbridos e incluso para aplicaciones de almacenamiento en instalaciones de generaci´on de energ´ıa. Su uso se ha echo muy popular ´ultimamente debido al abaratamiento de las celdas provocado por la mejora de los procesos de producci´on. En la figura 2.12 se puede observar una celda de litio y su curva de descarga. Figura 2.12: Bater´ıa de ion-litio y curvas de descarga Francisco Javier Murillo Arroba 17 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.3. ALMACENAMIENTO DE ENERG´ IA 2.3.3. Tecnolog´ıas utilizadas en bater´ıas de litio A la hora de escoger una tecnolog´ıa concreta de bater´ıas entre las expuestas en el punto anterior para el almacenamiento y gesti´on de energ´ıa en smart grids se va a optar por la tecnolog´ıa de bater´ıas basada en litio. Esta tecnolog´ıa tiene la particularidad de poseer una gran densidad de energ´ıa y un n´umero de ciclos de carga y descarga alto, por lo tanto se hace la m´as apropiada a la hora implementar sistemas de almacenamiento dentro de smart grids con el prop´osito de obtener una fuente de almacenamiento de alta durabilidad, robustez y con un tama˜no y precio aceptable. Una de las principales desventajas de esta tecnolog´ıa era su elevado coste, pero actualmente y debido a la mejora en las t´ecnicas y procesos de fabricaci´on de bater´ıas de litio se ha conseguido disminuir su precio en el mercado, haciendo de estas bater´ıas una de las principales opciones a la hora de desarrollar aplicaciones basadas en almacenamiento. Dentro de la tecnolog´ıa de bater´ıas basada en litio se pueden distinguir varios tipos de bater´ıas dependiendo de su composici´on y de los materiales utilizados para generar el flujo de electrones, gracias a esta diversidad de materiales es posible crear diferentes tipos de bater´ıas de litio con diferentes caracter´ısticas, los principales tipos son: Litio cobalto ´oxido (LiCoO2) Es el tipo de bater´ıa con m´as densidad energ´etica en t´erminos generales pero tambi´en son las m´as peligrosas, debido al riesgo de combusti´on que presentan al ser sometidas a sobrecarga. Su estructura qu´ımica interna se presenta en la figura 2.13. Figura 2.13: Estructura qu´ımica LiCoO2 Sus principales desventajas son que no pueden ser cargadas y descargadas a m´as de su corriente nominal, 1C, superar ese valor conllevar´ıa sobrecalentamiento, carecen de potencia y seguridad (son m´as peligrosas) y tienen un ciclo de vida m´as corto que otras bater´ıas basadas en ion-litio. Sus principales ventajas son su energ´ıa espec´ıfica y su precio. En la figura 2.14 se puede observar un diagrama con las principales caracter´ısticas de este tipo de bater´ıas. Figura 2.14: Diagrama LiCoO2 Francisco Javier Murillo Arroba 18 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.3. ALMACENAMIENTO DE ENERG´ IA Litio manganeso ´oxido (LiMn2O4) Al contrario que la bater´ıa de ´oxido de cobalto mencionada en el punto anterior, la estructura qu´ımica interna de este tipo de bater´ıas no es laminar, sino que forma una trama tridimensional. Esta estructura le confiere una menor resistencia interna, lo que le permite aumentar la corriente de descarga. Por ejemplo, en una bater´ıa t´ıpica 18650 esta intensidad puede ser de 20-30A, llegando a soportar pulsos de un segundo a 50A. Esta estructura interna se muestra en la figura 2.15. Figura 2.15: Estructura interna LiMn2O4 El principal problema de las celdas de ´oxido de manganeso con respecto a las de ´oxido de cobalto es la capacidad, siendo un tercio m´as peque˜na, pero tienen la ventaja de una mayor flexibilidad de dise˜no, mejorando en algunos par´ametros como tiempo de vida, corriente de carga y potencia espec´ıfica. Por ejemplo, una bater´ıa t´ıpica 18650 tiene una capacidad aproximada de 1’1Ah. En la figura 2.16 se muestra un diagrama con las caracter´ısticas principales de este tipo de bater´ıas. Figura 2.16: Diagrama LiMn2O4 Litio n´ıquel manganeso cobalto ´oxido(NMC ´o LiNiMnCoO2) Este tipo de bater´ıas contiene una tecnolog´ıa qu´ımica “h´ıbrida”, combinando la baja resistencia del manganeso y la alta energ´ıa del n´ıquel, obteniendo una capacidad razonablemente alta y una corriente de descarga elevada. Una bater´ıa media 18650 con este tipo de tecnolog´ıa puede tener una capacidad de 2’8Ah pudiendo ser descargada en torno 4-5A. Esta tecnolog´ıa permite obtener una potencia espec´ıfica de 2000mWh pero con una descarga continua de 20A. En la figura 2.17 se muestra un diagrama con sus caracter´ısticas principales. Francisco Javier Murillo Arroba 19 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.3. ALMACENAMIENTO DE ENERG´ IA Figura 2.17: Diagrama NMC Litio hierro fosfato (LFP o LiFePO4) Las bater´ıas de fosfato de hierro presentan un buen comportamiento qu´ımico con una baja resistencia. La clave de esta tecnolog´ıa es que permite elevadas corrientes de descarga y un gran n´umero de ciclos de vida, asegurando tambi´en una gran estabilidad t´ermica. Como inconvenientes destacan que poseen una baja tensi´on nominal de celda (en torno a los 3.2V), lo que reduce la energ´ıa espec´ıfica que puede ofrecer y tienen un elevado valor de auto-descarga respecto a otras tecnolog´ıas de litio, lo que pude conllevar problemas en sistemas de balanceo con el tiempo. Como ventajas, las bater´ıas de fosfato de litio son muy buenas en seguridad (no producen deflagraci´on ni combustionan al sobrecargarse o da˜narse) y poseen un elevado n´umero de ciclos de carga y descarga, aumentando notablemente su vida ´util con respecto a otras tecnolog´ıas. En la figura 2.18 se muestra un diagrama con sus principales caracter´ısticas. Figura 2.18: Diagrama LFP Litio n´ıquel cobalto aluminio ´oxido (NCA o LiNiCoAlO2) Estas bater´ıas suelen tener las mismas aplicaciones que las de tipo NMC debido a que tambi´en presenta una elevada energ´ıa espec´ıfica y una potencia espec´ıfica media alta con un buen n´umero de ciclos de vida. Son muy utilizadas para aplicaciones de almacenamiento de energ´ıa en automoci´on y peque˜nas instalaciones generadoras. Por norma general son bater´ıas con una corriente de descarga baja, los inconvenientes que presenta esta tecnolog´ıa son el coste y la seguridad. En la figura 2.19 se muestra un diagrama con las principales caracter´ısticas de este tipo de bater´ıas. Francisco Javier Murillo Arroba 20 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.3. ALMACENAMIENTO DE ENERG´ IA Figura 2.19: Diagrama NCA Litio titanato (Li4Ti5O12) Las caracter´ısticas principales de las bater´ıas de titanato de litio son: baja tensi´on nominal por celda (2.4V), carga r´apida, descarga a 10C segura y con un excelente comportamiento t´ermico. La principal desventaja de estas bater´ıas es su elevado precio, presentando adem´as una baja energ´ıa espec´ıfica (65Wh/kg). En la figura 2.20 se muestra un diagrama con sus principales caracter´ısticas. Figura 2.20: Diagrama Li4Ti5O12 2.3.4. Comparativa entre las diferentes bater´ıas de litio La tabla mostrada en la figura 2.21 muestra un resumen con las principales caracter´ısticas de las tecnolog´ıas de ion-litio expuestas en los puntos anteriores, para obtener una idea concisa y r´apida de las ventajas e inconvenientes que presentan, por norma general, cada una de las tecnolog´ıas comentadas. Francisco Javier Murillo Arroba 21 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.4. METODOLOG´ IA EN V Figura 2.21: Tabla comparativa de baterias de litio En la gr´afica mostrada en la figura 2.22 se a˜nade a la comparativa anterior otras tecnolog´ıas de almacenamiento utilizadas, como el NiCd o el NiMH, comparando la densidad de energ´ıa de cada una. Figura 2.22: Comparativa de densidad de energ´ıa 2.4. Metodolog´ıa en V El m´etodo en V fue desarrollado por la Administraci´on Federal Alemana para regular el proceso de desarrollo de software, describe las actividades y resultados obtenidos durante el desarrollo y proporciona una gu´ıa para la planificaci´on de proyectos. Se basa en una continua verificaci´on y testeo de los productos desarrollados con el fin de que estos se ajusten en todo momento a las especificaciones deseadas, obteniendo un seguimiento continuo del correcto desarrollo del proyecto y ofreciendo la posibilidad de anticiparse a fallos o desviaciones y corregirlos. El m´etodo de desarrollo en V consta de dos partes principales, una primera parte de definici´on del proyecto, donde se definir´an sus componentes y funcionamiento y una parte de desarrollo y validaci´on en la que se verificar´a que los avances obtenidos cumplan con las especificaciones pedidas. Este m´etodo se basa en el diagrama mostrado en la figura 2.23: Francisco Javier Murillo Arroba 22 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.4. METODOLOG´ IA EN V Figura 2.23: Diagrama de m´etodo en V En este diagrama en V se pueden observar las dos partes anteriormente mencionadas de definici´on y validaci´on y como se subdividen en varias fases fraccionando el desarrollo del proyecto en diferentes etapas. La metodolog´ıa a seguir para el desarrollo de un proyecto con el m´etodo en V consiste en comenzar con la definici´on del proyecto, concretando las especificaciones que debe cumplir, para esto se seguir´an las fases de la columna izquierda de la V de forma descendente y especificando tanto de forma general como en detalle las partes que compondr´an el proyecto. Posteriormente y tras un per´ıodo de implementaci´on se se pasar´a a la columna de la derecha, recorriendo sus fases de forma ascendente, en estas fases se verificar´an los productos creados, comprobando en cada etapa que cumplan con los requisitos propuestos y modificando las partes que fueran necesarias hasta cumplir las especificaciones pedidas. Aunque es un m´etodo que inicialmente se dise˜n´o para desarrollo de software se puede utilizar para proyectos de cualquier tipo, desarrollo de equipos, proyectos de investigaci´on, instalaciones, etc. 2.4.1. Objetivos del m´etodo en V Los principales objetivos que persigue este m´etodo, como gu´ıa a la hora de planificar y realizar proyectos son: Minimizaci´on de los riesgos del proyecto: mejora la transparencia y el control sobre el proyecto, asignando tareas y funciones de forma transparente a cada miembro del equipo y permite una detecci´on temprana de las desviaciones y riesgos que puedan surgir. Reducci´on de los gastos totales durante el proyecto: el esfuerzo para el desarrollo, producci´on, operaci´on y mantenimiento de un proyecto pueden ser calculados, estimados y controlados, haciendo posible un menor esfuerzo a la hora de desarrollar el proyecto. Garant´ıa de calidad: al ser un modelo est´andar asegura que los resultados que se obtengan ser´an completos y tendr´an la calidad deseada, adem´as los resultados intermedios obtenidos se pueden comprobar en una fase temprana. Mejora de la comunicaci´on entre los inversionistas: La transparencia a la hora de describir los componentes del proyecto, los participantes y las tareas asignadas a cada uno facilita la comunicaci´on entre todas las partes. Francisco Javier Murillo Arroba 23 CAP´ ITULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.4. METODOLOG´ IA EN V 2.4.2. Partes del diagrama en V A la hora de implementar la metodolog´ıa de desarrollo en V se han de tener en cuenta las dos partes del diagrama en V la definici´on del proyecto y el posterior desarrollo y validaci´on. Estas son las dos partes principales y bien diferenciadas en las que se basa el m´etodo de desarrollo en V para implementar su t´ecnica de continuo desarrollo y verificaci´on del proyecto durante el transcurso del mismo. Una vez seleccionado el proyecto a realizar se comenzar´a por definirlo, concretando requerimientos de usuario, partes en detalle, etc. para ello se recorrer´a la columna izquierda (definici´on del proyecto) de forma descendente, completando todas las etapas que la componen. Posteriormente, una vez definido el proyecto en su totalidad se comenzar´a a recorrer la columna derecha del diagrama (desarrollo y validaci´on) de forma ascendente, comprobando que en cada etapa se est´e cumpliendo con las exigencias del proyecto definidas en la columna contraria del diagrama. Definici´on del proyecto:en esta fase se deben definir y documentar los diferentes requisitos del sistema a desarrollar, empezando por los requisitos generales que ha de cumplir el producto final, hasta posteriormente definir m´as en detalle las partes del mismo. Esta parte del diagrama consta de tres fases principales, conceptos de operaci´on, requisitos del sistema y dise˜no en detalle, cada una de estas fases definir´a el sistema desde un punto de vista m´as complejo que la anterior hasta conseguir finalmente una visi´on completa del proyecto a realizar. Esta parte es muy importante en el desarrollo del proyecto ya que definir´a como ha de ser el resultado final y las partes que lo compondr´an, sirviendo de gu´ıa en la siguiente fase de desarrollo y validaci´on para testear que cada componente creado cumpla con los requisitos y expectativas definidos. Desarrollo y validaci´on: en esta fase los requisitos del sistema propuesto son recogidos analizando las necesidades de los usuarios con el fin de llevar a cabo la implementaci´on del proyecto. El objetivo de esta parte del diagrama es desarrollar cada fase definida anteriormente en la columna izquierda del diagrama en V, testeando de forma continua que los avances en el desarrollo coincidan con las especificaciones pedidas en la parte de definici´on del proyecto correspondiente. Esta parte del desarrollo en V se basa en tres fases principales: integraci´on de las distintas partes, verificaci´on y validaci´on del sistema en conjunto y mantenimiento del sistema, cada una de estas fases se encargar´a de desarrollar y validar su parte correspondiente dentro de la definici´on del proyecto, con el fin de ir desarrollando todo el conjunto desde las unidades m´as peque˜nas definidas hasta la validaci´on total del proyecto. 2.4.3. Fases del m´etodo en V Cada una de las dos partes que componen el m´etodo de desarrollo en V se subdividen en varias fases, las cuales cumplen una funci´on concreta a la hora de definir, desarrollar y validar un proyecto. Dentro de la parte de definici´on del m´etodo en V podemos encontrar las siguientes fases: Conceptos de operaci´on El objetivo de esta fase es definir el comportamiento general del equipo, tambi´en es conocida como especificaciones de usuario. Se definir´a lo que el equipo ha de hacer sin entrar en detalles de como ha de hacerlo, es la fase menos abstracta de todas y con menos nivel de detalle pero define el resultado final que ha de cumplir el proyecto. Francisco Javier Murillo Arroba 24 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.2. ESPECIFICACION USUARIO •Una vez montado el armario principal este ha de poder cerrarse evitando dejar conexiones de potencia accesibles. •El equipo ha de tener protecci´on contra sobre intensidades mantenidas mediante fusibles. •Se deben implementar mecanismos de protecci´on contra sobre tensiones. •Se debe proteger al equipo contra picos de corriente. •El control central ha de ser capaz de proteger el equipo contra situaciones que puedan da˜nar las celdas que lo componen (sobrecarga, temperaturas altas...). •El equipo ha de ser capaz de conectarse y desconectarse del resto de la instalaci´on el´ectrica cuando lo considere oportuno. Caracter´ısticas de comunicaci´on •Ha de implementarse un bus de comunicaciones capaz de soportar el tr´afico de datos de todo el equipo. •En el bus de comunicaciones se incluir´an como nodos todas las partes activas del equipo. •El bus implementado trabajar´a con protocolo CAN 2.0A. •EL bus debe ser accesible desde el exterior con el fin de poder conectar dispositivos externos para comunicaci´on o testeo del mismo. •El bus ha de ser lo suficientemente robusto como para aguantar perturbaciones externas sin que la comunicaci´on se vea afectada. Caracter´ısticas de interactuaci´on con el usuario •El equipo ha de implementar dispositivos que le permitan al usuario poder conocer de forma visual y r´apida el estado del equipo. •Se implementar´an unos indicadores por leds para visualizar de forma continua el estado del equipo. •Se crear´a un sistema SCADA que le permitir´a al usuario visualizar los par´ametros del equipo e interactuar con ´el. •A la hora de actuar sobre el equipo se pondr´a a disposici´on del usuario una serie de controles externos destinados a tal fin. •El equipo dispondr´a de una seta de parada de emergencia que desconectar´a al equipo del bus de continua. •El equipo dispondr´a de un interruptor general que cortar´a la alimentaci´on de toda la parte de control. •Todos los dispositivos de interacci´on con el usuario han de encontrarse fuera del armario principal, con el fin de disminuir el riesgo el´ectrico al manipularlos. 3.2.2. Caracter´ısticas operacionales Las caracter´ısticas operacionales definir´an c´omo ha de funcionar el equipo. Para ello se definir´an funcionalidades de seguridad, de funcionamiento y de comportamiento. Francisco Javier Murillo Arroba 31 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.2. ESPECIFICACION USUARIO Modos de funcionamiento del equipo: A la hora de garantizar un funcionamiento continuo el equipo deber´a tener varios estados definidos en funci´on de las condiciones en las que se encuentre el equipo y su entorno. Con el fin de obtener las condiciones de funcionalidad y seguridad deseadas, estos estados o modos de funcionamiento deber´an realizar unas acciones concretas sobre el equipo que consigan garantizar el correcto funcionamiento del mismo en todo momento. El equipo deber´a trabajar en los siguientes modos de funcionamiento: •Modo de inicializaci´on: El equipo deber´a tener un funcionamiento de inicializaci´on cada vez que se active, en este modo se inicializar´an todos los dispositivos, estableciendo valores por defecto de variables y funciones, acciones iniciales etc. En este modo de funcionamiento el equipo ha de permanecer desconectado de la red en todo momento, ya que no tendr´a control sobre el sistema hasta que no est´e completamente inicializado. Una vez realizadas todas las acciones de inicializaci´on necesarias se ha de comprobar el estado del equipo y del bus de continua antes de dar la opci´on al usuario de pasar al siguiente modo de funcinamiento, el modo de funcionamiento correcto,si las condiciones del bus o del equipo no fuesen las correctas se bloquear´ıa el paso al siguiente modo. •Modo de funcionamiento correcto: Este modo estar´a activo siempre que el equipo se encuentre dentro de las condiciones correctas para su funcionamiento, es decir, siempre que todos los par´ametros del equipo est´en dentro de los rangos de funcionamiento correctos. Cuando el equipo se encuentre en este modo estar´a conectado a la red en todo momento, haciendo un continuo chequeo de todos los par´ametros del equipo por si alguno de ellos produjera en alg´un momento una situaci´on de error. Si se produce una situaci´on de error(par´ametros fuera de rango) o el usuario lo estima oportuno, el equipo pasar´a al modo de error de forma inmediata, donde se desconectar´a del bus de continua. •Modo de error: Este modo estar´a activo siempre que alg´un par´ametro del equipo(tensi´on de celda, temperatura...) se encuentre fuera de rango o el usuario decida poner el equipo en modo error. Cuando el equipo se encuentre en este modo de funcionamiento estar´a desconectado de la red en todo momento, chequeando de forma continua los par´ametros del sistema por si la situaci´on de error dejase de existir. Si la situaci´on de error se soluciona el equipo pasar´a autom´aticamente al modo de funcionamiento correcto, siempre que el usuario lo estime oportuno, pudiendo mantener el equipo en situaci´on de error aunque los par´ametros del mismo fuesen correctos. Interacci´on con el usuario: Para obtener un equipo completamente funcional, el usuario ha de ser capaz de interactuar con ´el de tal forma que pueda visualizar y actuar sobre los par´ametros del equipo en todo momento. Con el fin de obtener las funcionalidades de monitorizaci´on y actuaci´on deseadas se deben implementar tanto en el equipo como de forma externa al mismo los siguientes sistemas de visualizaci´on y actuaci´on. •Sistema de realimentaci´on visual: Para proporcionar al usuario informaci´on clara sobre el estado y par´ametros del equipo se desarrollar´a un sistema de visualizaci´on. Francisco Javier Murillo Arroba 32 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.2. ESPECIFICACION USUARIO El equipo ha de implementar unos indicadores visuales luminosos que permitan al usuario visualizar, de forma r´apida y clara el estado en el que se encuentra el equipo en todo momento, estos indicadores luminosos se instalar´an en el frontal del equipo en una zona visible. De forma externa al equipo se implementar´a tambi´en un sistema SCADA que muestre al usuario los par´ametros del equipo y del bus de continua en tiempo real, este SCADA deber´a monitorizar datos como: la tensi´on individual de las celdas, tensi´on de bus, intensidad que recorre el bus, potencia consumida, estado de carga y temperatura del sistema. •Sistema de actuaci´on: Con el fin de proporcionar al usuario una actuaci´on directa sobre el estado del equipo se desarrollar´a un sistema de actuaci´on. Como medida de actuaci´on en caso de emergencia se ha de dotar al equipo de un interruptor de emergencia que lo desconecte de la red al ser accionado, este interruptor se encontrar´a fuera del armario principal para poder accionarlo sin riesgo el´ectrico. El equipo tendr´a un interruptor de encendido general que le dar´a al usuario la posibilidad de desconectar el equipo completo, tanto de la red de potencia como de la red el´ectrica, reseteando as´ı todo el control del equipo. El usuario tambi´en ha de poder controlar el equipo desde el sistema SCADA, proporcion´andole las ´ordenes necesarias para que trabaje en un modo de funcionamiento u otro y permitiendo tambi´en una acci´on directa sobre el estado del equipo en la red, comandando su conexi´on y desconexi´on desde el sistema SCADA. Funcionamiento sin alimentaci´on: El equipo ha de garantizar un correcto funcionamiento en caso de fallo de la alimentaci´on de red de la que depende el control. En caso de fallo de la alimentaci´on del control el equipo ha de disponer de una fuente de alimentaci´on auxiliar continua, de tal forma que no se produzca un apag´on inmediato del equipo al fallar la alimentaci´on principal. Esta fuente auxiliar de alimentaci´on ha de ser capaz de suministrar al control la energ´ıa necesaria para que este lleve a cabo una desconexi´on controlada de la red y del equipo sin sufrir un corte de suministro total en ning´un momento. 3.2.3. Robustez y mantenimiento Las especificaciones de robustez y mantenimiento determinar´an los requisitos de funcionamiento a cumplir una vez instalado el equipo, definiendo las acciones de mantenimiento necesarias y el comportamiento del equipo en situaciones poco habituales. Acciones de mantenimiento: Una vez instalado el equipo en el lugar de funcionamiento habitual este ha de funcionar de forma aut´onoma, sin necesidad de mantener una vigilancia o acciones especiales sobre el mismo siempre que est´e trabajando en condiciones normales de funcionamiento. El mantenimiento del equipo por lo tanto ha de ser m´ınimo, limit´andose ´unicamente a la sustituci´on de las partes que por el propio uso del equipo puedan deteriorarse. Las partes principales del equipo que sufren deterioro con el uso son las celdas de bater´ıas y los contactores mec´anicos que han de ser sustituidos al llegar al final de su vida ´util. Para garantizar un tiempo de operaci´on lo suficientemente largo las bater´ıas del equipo han de tener una vida ´util de al menos 3000 ciclos de carga y han de ser sustituidas cu´ando se encuentren al 80 % de capacidad de la que tra´ıan de f´abrica. Francisco Javier Murillo Arroba 33 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.3. ESPECIFICACI´ ON DE COMPONENTES En cuanto a los contactores han de ser lo suficientemente robustos como para aguantar al menos 2000 conmutaciones del equipo en carga antes de finalizar su vida ´util, debiendo ser sustituidos por otros con las mismas caracter´ısticas al alcanzar el l´ımite de funcionamiento. Condiciones de robustez: El equipo deber´a cumplir en todo momento unas condiciones m´ınimas de robustez que le permitan funcionar con normalidad ante situaciones an´omalas, entornos industriales y fallos de alimentaci´on. El equipo deber´a estar preparado para trabajar en entornos industriales, proporcionando un aislamiento suficiente en la parte de control y comunicaciones de tal forma que ninguna de ellas vea afectado su funcionamiento por interferencias magn´eticas, picos de tensi´on, ruidos causados por conmutaciones de equipos cercanos y en definitiva cualquier par´ametro que pueda perjudicar su funcionamiento. El control del equipo ha de ser capaz de minimizar los da˜nos que se puedan producir en el mismo por un funcionamiento fuera del rango para el que se ha dise˜nado, el control monitorizar´a de forma continua los par´ametros del equipo y lo desconectar´a de la red lo antes posible si detecta cualquier par´ametro, ya sea interno ( tensi´on de bater´ıas, temperatura...) o externo ( tensi´on de bus, intensidad...) fuera del rango permitido. En caso de fallos en la alimentaci´on principal el equipo ha de ser capaz de garantizar una desconexi´on controlada y completa de la red, apoy´andose para ello en fuentes de alimentaci´on auxiliares. Situaciones fuera de los l´ımites del equipo: Por motivos de seguridad el equipo no deber´a superar en ning´un momento los l´ımites de tensi´on, corriente o temperatura citados a continuaci´on. •Tensi´on superior l´ımite del equipo: 1000Vdc •Tensi´on inferior l´ımite del equipo: 200Vdc •Temperatura m´axima l´ımite del equipo: 70oC •Corriente pico m´axima del equipo: 500A Si en alg´un momento cualquiera de estos l´ımites es rebasado el equipo deber´a desconectarse autom´aticamente de la red, proporcionando al usuario un c´odigo de error que le permita identificar el fallo. 3.3. Especificaci´on de componentes En este apartado se especificar´an los componentes de los que constar´a el equipo, se explicar´a de que estar´a formado cada uno y su funci´on dentro del conjunto de producto final. A la hora de dise˜nar el equipo se ha optado por una arquitectura modular, en la cual se deben cubrir las especificaciones de usuario ensamblando varios m´odulos con diferentes caracter´ısticas. El equipo principal estar´a formado en su mayor parte por los siguientes componentes: bater´ıa simple, bloque de bater´ıas y bandeja, que se encargar´an de la parte de almacenamiento el´ectrico y estar´an apoyados finalmente por un m´odulo de protecciones y control y un m´odulo de monitorizaci´on y actuaciones. El bloque de bater´ıas estar´a formado por varias bater´ıas simples, la bandeja de bater´ıas por varios bloques de bater´ıas y el equipo final por varias bandejas. Francisco Javier Murillo Arroba 34 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.3. ESPECIFICACI´ ON DE COMPONENTES 3.3.1. Clasificaci´on de componentes Los componentes del equipo se dividir´an en dos partes bien diferenciadas, parte de potencia, donde se implementar´an todos los componentes del equipo destinados al almacenamiento de energ´ıa y parte de control, donde se implementar´an todos los componentes dedicados a gestionar la parte de potencia y comunicarse con el usuario. En base a esta clasificaci´on b´asica se va a separar el conjunto total de los componentes del equipo en varios m´odulos a la hora de definir las especificaciones necesarias para ellos, estos m´odulos son: el m´odulo de potencia, m´odulo de protecciones, m´odulo de control, m´odulo de comunicaciones y el m´odulo de motorizaci´on e interacci´on con el usuario. Estos m´odulos se distribuyen dentro de las dos partes principales del equipo como se muestra en el diagrama de la figura 3.2. Figura 3.2: Divisi´on de las partes principales en m´odulos A continuaci´on se especificar´a con m´as detalle las caracter´ısticas que deben tener y las funciones espec´ıficas que ha de cumplir cada m´odulo concreto. 3.3.2. M´odulo de potencia En este m´odulo se encuadran las partes destinadas a almacenar carga dentro del equipo, estas son la bater´ıa simple, bloque de bater´ıas y bandeja. La jerarqu´ıa que siguen estos componentes es la mostrada en la figura 3.3, la bandeja estar´a compuesta de bloques de bater´ıas y estos a su vez de bater´ıas simples. Figura 3.3: Jerarqu´ıa de los m´odulos de almacenamiento Francisco Javier Murillo Arroba 35 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.3. ESPECIFICACI´ ON DE COMPONENTES Bater´ıa simple La bater´ıa simple ser´a una celda independiente de energ´ıa, la cual ser´a la unidad m´ınima del equipo y se utilizar´a como base para formar el m´odulo superior. Esta bater´ıa deber´a de ser capaz de almacenar energ´ıa, cargarse y descargarse dentro de las necesidades especificadas por el usuario sin que esto produzca ning´un tipo de deterioro en el componente, m´as all´a del generado por el propio uso del mismo. Deber´a cumplir unas condiciones suficientes de peso y tama˜no para que al realizar su ensamblaje en m´odulos superiores se respeten las limitaciones f´ısicas del equipo especificadas. En la figura 3.4 se muestra una ilustraci´on de este tipo de bater´ıas Figura 3.4: Celda individual Bloque de bater´ıas El bloque de bater´ıas ser´a la unidad modular intermedia del equipo, estar´a formada por varias bater´ıas simples y a su vez se utilizar´a como sub m´odulo de la bandeja. Este bloque de bater´ıas ha de cumplir unas condiciones f´ısicas que permitan cumplir las especificaciones de usuario, tanto el´ectricas como de tama˜no y peso. En cuanto a seguridad el bloque de bater´ıas ha de garantizar condiciones suficientes de aislamiento el´ectrico, con el fin de evitar que se produzcan derivaciones no deseadas de corriente en los dem´as puntos del equipo. Cada bloque tendr´a una gesti´on independiente del resto, con un control propio que garantizar´a condiciones optimas de funcionamiento y seguridad en todo momento. En la figura 3.5 se muestra una ilustraci´on de un bloque de bater´ıas. Figura 3.5: Bloque de bater´ıas Bandeja La bandeja ser´a el bloque final del equipo, formada por varios bloques de bater´ıas, esta bandeja cumplir´a con unas condiciones el´ectricas, de tama˜no y peso tal que permitan cumplir las especificaciones de usuario. Con el fin de poder conectar varias bandejas entre s´ı como m´odulos finales, estas ofrecer´a los terminales necesarios de conexi´on, siendo estos de f´acil acceso y uso a la hora de realizar montajes. Estas bandejas han de tener un bus de comunicaciones que les permita enviar informaci´on a un sistema de monitorizaci´on, con el fin de poder conocer en todo momento y en tiempo real el estado de cada bandeja y del equipo en general. Francisco Javier Murillo Arroba 36 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.3. ESPECIFICACI´ ON DE COMPONENTES Cada unidad ha de garantizar las condiciones de seguridad suficientes para evitar derivaciones de corriente no deseadas, ya sea a trav´es del chasis del propio equipo o a trav´es de cualquier persona que pudiera tener acceso a ella. En la figura 3.6 se muestra una ilustraci´on de una bandeja de bater´ıas. Figura 3.6: Bandeja de bater´ıas 3.3.3. M´odulo de protecciones Este m´odulo ser´a el encargado de realizar las acciones de protecci´on el´ectrica para el equipo, estar´a compuesto por dos componentes principales,fusibles y contactores, estos proteger´an al equipo de situaciones que puedan ser perjudiciales para el mismo. El m´odulo de protecciones montar´a junto al equipo, en forma de bandeja similar a las de almacenamiento de energ´ıa descritas anteriormente, pero con las caracter´ısticas necesarias para cumplir su funci´on, debiendo tambi´en adaptarse a las especificaciones de tama˜no y peso del equipo final. La distribuci´on general de los dispositivos de protecci´on se muestran en la figura 3.7. Figura 3.7: Elementos del m´odulo de protecciones Como se puede observar en la figura, el m´odulo consta fundamentalmente de dos elementos principales: Francisco Javier Murillo Arroba 37 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.3. ESPECIFICACI´ ON DE COMPONENTES Fusibles de protecci´on: Los fusibles proteger´an al equipo de sobre intensidades mantenidas y picos de corriente que puedan producirse en el bus de continua. Con el fin de cumplir con las especificaciones de usuario, estos fusibles deber´an proteger el equipo para sobre intensidades mantenidas de m´as de 200A y picos de corriente de m´as de 400A. Estos fusibles han de ser siempre la ´ultima barrera de protecci´on del equipo, ya que en el bus de continua se deben implementar tambi´en unos contactores que, controlados por el control central del equipo, lo desconecten de la red ante eventos que puedan da˜narlo. Contactores: Los contactores actuar´an como mecanismos de protecci´on y control del equipo, estar´an comandados por el control centran. Estos contactores tiene la misi´on de desconectar al equipo del bus de continua cuando se produzcan situaciones que puedan da˜nar el mismo. Estar´an comandados por el control central que tomar´a peri´odicamente medidas del bus de continua y decidir´a en base a los datos obtenidos y las decisiones tomadas por el usuario si desconectar el equipo de la red a trav´es de los contactores. Para cumplir con las especificaciones de seguridad pedidas, estos contactores han de ser capaces de aguantar intensidades mantenidas de hasta 200A. y picos de corriente de hasta 400A, con una capacidad de aislamiento de al menos 1KV. 3.3.4. M´odulo de control Este m´odulo es el encargado de gestionar el estado del equipo, tomando informaci´on de las diferentes partes y actuando en base a los datos obtenidos. Tambi´en ha de ofrecer informaci´on al m´odulo de monitorizaci´on para que el usuario visualice en todo momento el estado del equipo y realizar actuaciones sobre los contactores de protecci´on. Este m´odulo se implementar´a f´ısicamente dentro de las diferentes bandejas que componen el equipo, situando controles locales en las bandejas de potencia y un control central en la bandeja de alimentaci´on. El esquema de control que seguir´a este m´odulo de control se muestra en la figura 3.8. Figura 3.8: Jerarqu´ıa de control de los dispositivos Como se observa en la figura 3.8 se puede dividir el m´odulo de control en dos partes principales: Control local: El control local se implementar´a dentro de cada bandeja de alimentaci´on, este control se encargar´a de gestionar a nivel local los par´ametros de cada bandeja de Francisco Javier Murillo Arroba 38 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.3. ESPECIFICACI´ ON DE COMPONENTES alimentaci´on. Controlando en todo momento los par´ametros de tensi´on y temperatura de las celdas e implementando acciones de balanceo sobre las mimas, con el fin de mantener una correcta ecualizaci´on de todas las celdas en serie. A la hora de comunicarse con el control central, este control local implementar´a una serie de comunicaciones por bus CAN que se transmitir´an por el bus de comunicaciones principal del equipo. Mediante este bus el control local se deber´a comunicar en todo momento el estado de la bandeja que est´a gestionando y avisando de posibles incidencias que pudieran ocurrir. Control central: El control central se implementar´a dentro de la bandeja de protecciones, contar´a con una unidad de procesamiento m´as potente que la de los controles locales. Recibir´a constantemente informaci´on tanto de los controles locales como del bus de continua del equipo, a trav´es de sensores implementados en el mismo. En base a las informaciones recibidas y el modo de funcionamiento en el que se encuentre, el control central realizar´a de forma continua las acciones de control sobre el equipo para garantizar su correcto funcionamiento. Este control central implementar´a un perif´erico de comunicaciones por CAN bus, a trav´es del cual se comunicar´a con los controles locales y un sistema SCADA, intercambiando informaci´on y proporcionando al usuario informaci´on y control sobre el equipo. 3.3.5. M´odulo de comunicaciones Este m´odulo es el encargado de proporcionar al equipo las comunicaciones necesarias entre las diferentes partes del mismo para garantizar su correcto funcionamiento. Comunicar´a cada BMS local con el central y a su vez con el sistema SCADA del equipo, garantizando que estas comunicaciones se realicen sin p´erdida ni deterioro de la informaci´on. Las partes principales de este m´odulo son el bus principal de comuniaciones y los nodos, que ser´an las diferentes partes de equipo que para recibir o enviar informaci´on se conecten al bus de datos. En la figura 3.9 se puede observar un diagrama de la distribuci´on f´ısica que deber´a tener el bus. Figura 3.9: Distribuci´on del bus CAN Como se puede observar en la figura 3.9, el m´odulo de comunicaciones se compone de dos partes principales: Bus principal de comunicaciones: El bus principal de comunicaciones es f´ısicamente un par trenzado de conductores a trav´es del cual se implementar´a un protocolo de comunicaci´on CAN 2.0A. Este bus de comunicaciones recorrer´a todo el equipo, garantizando la accesibilidad a todos los componentes que necesiten comunicarse. Francisco Javier Murillo Arroba 39 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.3. ESPECIFICACI´ ON DE COMPONENTES A la hora de desarrollar f´ısicamente el bus se seguir´an en todo momento las gu´ıas est´andar de implementaci´on f´ısica del mismo, garantizando un bus lo suficientemente robusto para cumplir las especificaciones de usuario. Este bus se implementar´a en un cable apantallado de 5 hilos, en el que adem´as de de las l´ıneas de comunicaci´on (CANH y CANL) se transportar´an las l´ıneas de alimentaci´on para los dispositivos del bus que lo necesiten. Nodos: Los nodos ser´an todos los dispositivos del equipo que en mayor o menor medida necesiten transmitir o recibir inforamaci´on, estos nodos deber´an implementar de forma local los medios necesarios para poder conectarse al bus y transmitir o recibir la informaci´on deseada. Los principales nodos del equipo son, los BMS locales, el BMS central y el sistema SCADA, cada uno de estos nodos pueden presentar diferentes modos de comunicaci´on ( pregunta respuesta, comunicaci´on continua, etc.), pero todos han de ser compatibles y estar soportados sobre CAN 2.0A, quedando al final del desarrollo un mapa de comunicaciones CAN totalmente definido, en el que aparezcan todas las tramas que se transmitir´an por el bus de comunicaciones del equipo. 3.3.6. M´odulo de monitorizaci´on e interacci´on con el usuario Este m´odulo ser´a el encargado de interactuar con el usuario final del equipo, proporcion´andole toda la informaci´on necesaria sobre el estado del equipo y acciones de actuaci´on para poder modificar el estado del mismo. Los componentes de este m´odulo se situar´an tanto dentro del equipo principal (interruptores, setas de emergencia...) como de forma externa al mismo (PC). Los principales componentes de este m´odulo se pueden dividir en una secci´on de monitorizaci´on y una de actuaci´on, cada una con una finalidad y unos componentes propios. Secci´on de monitorizaci´on: La secci´on de monitorizaci´on ser´a la encargada de proporcionar al usuario de una forma visual y r´apida el estado del equipo y el valor de los diferentes par´ametros del mismo, los principales componentes de monitorizaci´on han de ser los leds de estado y el sistema SCADA. Los leds de estado han de proporcionar al usuario informacion sobre el estado del equipo de una forma visual y r´apida, estos leds de estado se implantar´an dentro del equipo principal, en el frontal del mismo, donde sean f´acilmente visualizables. El sistema SCADA se implementar´a en un PC externo al equipo y proporcionar´a al usuario una informaci´on m´as completa sobre los par´ametros del equipo, los par´ametros del bus de continua e informaci´on sobre los posibles errores que se puedan estar produciendo dentro del equipo o el bus. Secci´on de actuaci´on: Esta secci´on es la encargada de proporcionar al usuario control sobre el equipo final. Ya se por medidas de mantenimiento o seguridad, esta secci´on le proporciona al usuario la capacidad de poder conectar o desconectar al equipo de la red si as´ı lo considera necesario. Los principales componentes de esta secci´on son la seta de seguridad y el sistema SCADA. Se le dotar´a al equipo de una seta de parada de emergencia, la cual al ser pulsada desconectar´a inmediatamente el equipo del bus de continua, esta seta de seguridad se situar´a en el equipo principal, fuera de cualquier zona que pueda tener riesgo el´ectrico. En la figura 3.10 se puede observar una imagen de una seta de parada de emergencia. Francisco Javier Murillo Arroba 40 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.4. ESPECIFICACI´ ON DE DETALLES 3.4.3. Detalle de m´odulo de comunicaci´on El m´odulo de comunicaci´on se encargar´a de proporcionar los medios necesarios a todos los dispositivos que necesiten transmitir o recibir datos. Estar´a formado por todos los dispositivos que necesiten comunicarse y por un bus principal que recorrer´a todo el equipo y donde se conectar´an todos los dispositivos o nodos que necesiten de este servicio de comunicaci´on. Bus principal: El bus principal estar´a compuesto por un cable de 5 hilos, este cable recorrer´a todo el frontal del equipo, pasando de bandeja a bandeja y ofreciendo a cada dispositivo que lo necesite un punto de conexi´on al mismo. Este cable de 5 hilos tendr´a una doble funci´on, por un lado se encargar´a de establecer las l´ıneas propias de comunicaci´on CANH y CANL entre todos los nodos del m´odulo de comunicaciones, y por otro lado, con el fin de reducir cableado, proporcionar´a una l´ınea de alimentaci´on para los dispositivos externos a la bandeja de protecciones que la necesiten. Esta l´ınea de alimentaci´on tendr´a una tensi´on fija y un consumo limitado, debiendo los ser nodos los que se adapten a las limitaciones de la l´ınea. Por lo tanto el bus principal de alimentaci´on ha de cumplir las siguientes caracter´ısticas el´ectricas: •Tipo de cable: cable apantallado de 5 hilos •Tensi´on m´ınima a soportar: 12Vdc •Corriente m´ınima a soportar: 6A •Potencia m´ınima a soportar: 100W •Aislamiento: Aislamiento el´ectrico y magn´etico(apantallamiento) En la figura 3.16 se pude observar un cable de 5 hilos como el descrito para el bus principal y un conexionado orientativo para el mismo. Figura 3.16: Conductor de 5 hilos para el bus Nodos de comunicaci´on: Estos nodos son principalmente los BMS locales de equipo, el BMS central y el sistema SCADA, todos estos dispositivos han de comunicarse entre s´ı para un correcto funcionamiento del equipo, por lo tanto han de tener acceso f´ısico al bus principal de comunicaciones. Cada nodo ha de implementar alg´un perif´erico que le permita conetarse al bus CAN con un protocolo de comunicaci´on CAN 2.0A y con unas exigencias de tasa de transmisi´on Francisco Javier Murillo Arroba 47 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.4. ESPECIFICACI´ ON DE DETALLES espec´ıficas, ya que es requisito indispensable que todos los nodos del mismo bus principal de comunicaciones transmitan con la misma tasa de datos para poder efectuar una comunicaci´on correcta. Los nodos de comunicaci´on que se encuentren fuera de la bandeja de protecciones deber´an cumplir tambi´en una serie de caracter´ısticas especiales a la hora de alimentar sus circuitos de comunicaci´on y control, ya que deben conectarse a la l´ınea de alimentaci´on que proporciona el cable del bus principal, por lo tanto cada nodo externo a la bandeja de protecciones ha de cumplir las siguientes especificaciones el´ectricas: •Tensi´on de alimentaci´on: 12Vdc •Consumo m´aximo: 100mA 3.4.4. Detalle de m´odulo de control El m´odulo de control se encargar´a de la gesti´on del equipo completo, tanto de forma local dentro de cada bloque de bater´ıas como de forma general desde el control central. Este bloque est´a distribuido f´ısicamente dentro de todo el equipo y se apoyar´a en el bus de comunicaciones para comunicar las diferentes partes y dispositivos que lo componen. Los principales componentes de este este m´odulo son los controladores locales, el control central y los circuitos de adaptaci´on y actuaci´on. Los controles o BMS locales se distribuir´an por las diferentes bandejas de potencia, mientras que el control central y los diferentes circuitos de adaptaci´on y control se implementar´an en la bandeja de protecciones y control. A la hora de definir los componentes del m´odulo se dividir´a entre control local, control central y adaptaci´on y actuaci´on. Control local: El control local estar´a formado por los BMS locales, uno por bloque de bater´ıas, cada uno de estos BMS locales han de conectarse al bus de comunicaciones para transmitir en todo momento el estado de las celdas individuales que gestionan, su tensi´on y su temperatura. Esta informaci´on ser´a recogida en todo momento por el control central, que la analizar´a y gestionar´a para tomar las decisiones necesarias sobre la actuaci´on del equipo. La parte de control de cada componente BMS local, ha de alimentarse en todo momento mediante la toma de potencia que se implementar´a junto con el bus de comunicaciones, permaneciendo la parte de control aislada el´ectricamente de la parte de de potencia y gesti´on de las bater´ıas, con el fin de evitar posibles da˜nos en el bus de comunicaci´on y el control. Control central: El control central se implementar´a en un procesador digital de se˜nales o DSP, este procesador de prop´osito general ha de tener la suficiente capacidad como para ejecutar todo el software de control de forma continua y en tiempo real, garantizando que las actuaciones y el an´alisis sobre el equipo ser´a lo suficientemente r´apido. Para poder llevar a cabo el an´alisis del bus de continua el control central necesitar´a contar con puertos de lectura anal´ogicos, estos puertos han de leer y analizar las se˜nales obtenidas de los sensores de corriente y tensi´on que se instalar´a en el bus. Para poder realizar las acciones de actuaci´on sobre contactores y leds del equipo el DSP ha de contar con los suficientes pines digitales de prop´osito general y finalmente ser´a necesario implementar un perif´erico de comunicaciones CAN para comunicarse con el resto del equipo. Con todo esto el DSP ha de cumplir al menos las siguientes especificaciones: Francisco Javier Murillo Arroba 48 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.4. ESPECIFICACI´ ON DE DETALLES •Frecuencia del procesador de al menos 100Mhz •Memoria RAM de al menos 120Kb •Perif´erico espec´ıfico para comunicaciones CAN •15 pines digitales de prop´osito general •6 pines de entrada anal´ogicos •Conversor ADC de al menos 12bits Una vez definido el hardware a utilizar hay que definir las funciones que ha de realizar el software del DSP, este software ha de gestionar toda la informaci´on recibida del equipo, analizarla y realizar las acciones de actuaci´on necesarias en cada momento, para ello el software implementado ha de realizar las siguientes acciones: •Implementar mediante el periferico CAN las comunicaciones con el resto de dispositivos de equipo •Gestionar y adaptar la informaci´on recibida de los BMS locales •Gestionar y adaptar la informaci´on recibida de los sensores del bus de continua •Analizar toda la informaci´on recibida para conocer el estado en el que se encuentra el equipo •En base al estado del equipo decidir cual es el modo de funcionamiento m´as adecuado en cada momento •En base al modo de funcionamiento elegido gestionar y realizar las acciones de control sobre leds y contactores •Dividir en tramas CAN la informaci´on m´as importante del sistema para enviarla al sistema SCADA En la figura 3.17 se muestra una imagen de un chip DSP. Figura 3.17: Chip DSP Adaptaci´on y actuaci´on: A la hora de leer par´ametros o actuar sobre diferentes dispositivos las se˜nales que llegan o salen del DSP han de ser adaptadas a los niveles de tensi´on propios de cada dispositivo, para ello se deber´an realizar los circuitos y funciones de adaptaci´on necesarios en cada etapa. Para realizar funciones de adaptaci´on y actuaci´on se pueden distinguir tres partes esenciales que necesitar´a el DSP para su correcto funcionamiento, lectura y adaptaci´on de la Francisco Javier Murillo Arroba 49 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.4. ESPECIFICACI´ ON DE DETALLES corriente del bus de continua, lectura y adaptaci´on de la tensi´on del bus de continua y adaptaci´on de la salida a contactores. •Lectura y adaptaci´on de la corriente del bus de continua: A la hora de realizar una correcta lectura de la corriente que circula en cada momento por el bus de continua, se han de tomar medidas de la misma mediante un sensor de corriente. La lectura de este sensor de corriente puede darse tanto como una variaci´on de corriente proporcional a la que circula por el bus (sensor de efecto hall), como una variaci´on de tensi´on proporcional a dicha corriente (sensor shunt). En cualquiera de los casos esta corriente, que adem´as puede circular tanto en sentido negativo como positivo, ha de ser adaptada al rango de tensi´on de entrada del dispositivo DSP, intentado cubrir todo el rango de tensi´on de entrada para obtener la mayor precisi´on posible. En el caso particular de este proyecto los sensores de corriente no medir´an una tensi´on mayor a 200A, debiendo realizar una etapa de adaptaci´on que a -200A proporcione al DSP una lectura de 0V y a 200A una lectura de 3 V, cubriendo asi el rango de entrada de 0 a 3V de los puertos anal´ogicos del DSP. •Lectura y adaptaci´on de la tensi´on del bus de continua: A la hora de realizar una correcta lectura de la tensi´on a la que est´a sometido el bus de continua hay que realizar una medida de tensi´on del mismo mediante un sensor de tensi´on. La lectura que proporcionan estos sensores es una corriente proporcional a la tensi´on medida, debiendo adaptar, igual que en el caso de la lectura y adaptaci´on de corriente, esta medida a par´ametros medibles por el DSP. En nuestro caso particular se van a medir tensiones m´aximas de 800V, debiendo obtener mediante los circuitos de lectura y adaptaci´on una tensi´on de 0V cuando el sensor lea 0V en bus y una tensi´on de 3V cuando el sensor lea 800V en bus, aprovechando as´ı al m´aximo la precisi´on del puerto anal´ogico del DSP •Adaptaci´on de la salida a contactores: Mediante los pines digitales de prop´osito general, el DSP deber´a proporcionar las salidas que comanden la base de los contactorres del bus de continua. Estos dispositivos suelen necesitar unas se˜nales de activaci´on de mayor tensi´on que las generadas por el DSP y necesitan una corriente relativamente elevada para mantenerse activas. Por lo tanto a la hora de comandar los contactores desde las salidas digitales del DSP hay que adaptar las se˜nales generadas, para ello se utilizar´a un circuito de adaptaci´on de potencia formado principalmente por rel´es, cuya base ser´a comandada por la salida del DSP y que al activarse dar´an paso a un circuito auxiliar que activar´a y alimentar´a los contactoes desde su base. 3.4.5. Detalle de m´odulo de interacci´on con el usuario Este m´odulo ser´a el encargado de mostrar al usuario el estado del equipo en todo momento y proporcionarle acciones de control sobre el mismo. El m´odulo de interacci´on con el usuario es el ´unico m´odulo que poseer´a partes externas al equipo principal, con el fin de facilitar al usuario las labores de monitorizaci´on y control. Este m´odulo se dividir´a en dos funcionalidades principales, monitorizaci´on y control y algunos componentes como el sistema SCADA compartir´an ambas funcionalidades, permitiendo al usuario conocer y comandar el estado del equipo desde el mismo dispositivo. A la hora de definir los componentes que contendr´a el m´odulo de monitorizaci´on se va a distinguir entre, componentes en el equipo principal y componentes externos al mismo, pudiendo cumplir cada uno, independientemente, las funciones de control, monitorizaci´on o ambas. Francisco Javier Murillo Arroba 50 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.4. ESPECIFICACI´ ON DE DETALLES Componentes dentro del equipo principal: Estos componentes se encontrar´an en el equipo principal, ya sea dentro del armario de bater´ıas o en alguna parte de la carcasa del mismo, los principales son: •Seta de parada de emergencia: Este dispositivo de protecci´on se situar´a en la carcasa del equipo principal por la parte externa, evitando as´ı cualquier riesgo el´ectrico que pueda producirse a la hora de manipularla. Como dispositivo de protecci´on al ser pulsada desconectar´a inmediatamente al equipo de la red, para ello actuar´a sobre la los rel´es que comandan los contactores del equipo, desconect´andolos de la base de los contactores y dej´andolos por lo tanto sin alimentaci´on. Como especificaciones el´ectricas generales esta seta de seguridad ha de cumplir: ◦Tensi´on m´axima: m´ınimo 20Vdc ◦Corriente nominal: al menos 1A ◦Capacidad de corte: al menos 3A ◦Capacidad de aislamiento: m´ınimo de 1KV En la figura 3.18 se muestra una seta de parada de emergencia con la parte de conexionado interna. Figura 3.18: Seta de emergencia con interruptores •Interruptor general: Este interruptor ser´a el encargado de cortar la alimentaci´on general de la parte de control del equipo,al accionarlo el usuario cortar´a la fuente de alimentaci´on principal de la bandeja de protecciones y control, desconectando por tanto al equipo de la red y apagando todos los controles y buses de comunicaci´on. Este dispositivo de protecci´on se situar´a en la carcasa del equipo principal por la parte externa, evitando as´ı cualquier riesgo el´ectrico que pueda producirse a la hora de manipularlo, las principales caracter´ısticas el´ectricas que ha de cumplir son: ◦Tensi´on m´axima: 230Vac ◦Corriente nominal: m´ınimo de 5A ◦Capacidad de corte: al menos 15A ◦Capacidad de aislamiento: m´ınimo de 1KV En la figura 3.19 se muestra un interruptor general con la parte de conexionado interna. Francisco Javier Murillo Arroba 51 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.4. ESPECIFICACI´ ON DE DETALLES Figura 3.19: Interruptor modular •Leds de estado: Los leds de estado se situar´an en el frontal del del equipo principal, en un lugar visible, estos leds de estado estar´an compuestos por cuatro leds diferentes e independientes que indicar´an de forma visual y r´apida el estado del equipo. Estar´an comandados por la unidad central de de control, que en funci´on del estado del equipo activar´a el correspondiente led. Con el fin de indicar de forma clara el estado del equipo se seguir´a el siguiente c´odigo de colores: ◦Led rojo: Estado de error ◦Led verde: Estado de funcionamiento correcto ◦Led amarillo: Estado de inicializaci´on ◦Led azul intermitente: Comunicaciones en curso Componentes externos al equipo: Estos componentes se encontrar´an conectados al equipo principal a trav´es de buses de comunicaci´on pero no estar´an en contacto f´ısico con el equipo principal, los principales son: •Sistema SCADA: Este sistema SCADA se desarrollar´a mediante el software de programaci´on gr´afica LabVIEW, el software desarrollado ha de poder ejecutarse de forma continua, mostrando en cada momento y en tiempo real los par´ametros del equipo, con el fin de proporcionar al usuario una realimentaci´on realista del estado del equipo y la posibilidad de controlarlo en tiempo real. El sistema SCADA ha de garantizar las siguientes prestaciones: ◦Monitorizaci´on y gesti´on de los par´ametros en tiempo real. ◦Ofrecer al usuario control sobre los contactores del equipo . ◦Monitorizar los par´ametros del bus de continua. ◦Monitorizar los par´ametros del equipo. ◦Ofrecer informes y c´odigos de error. ◦Implementar comunicaciones mediante bus CAN 2.0A. En la figura 3.20 se puede observar una pantalla de software SCADA creada con LabVIEW. Francisco Javier Murillo Arroba 52 CAP´ ITULO 3. DISE˜ NO 3.5. CONCLUSIONES Figura 3.20: Frontal de SCADA con LV •PC: A la hora de implementar el sistema SCADA del equipo se utilizar´a un PC en el que se desarrollar´a y ejecutar´a el software de control y monitorizaci´on, este PC ha de tener la suficiente capacidad como para ejecutar el software creado de manera continua, sin fallos y sin retardos, para ello deber´a cumplir las siguientes especificaciones b´asicas: ◦Procesador: procesador de doble n´ucleo a 2Ghz ◦Memoria RAM: 2Gb ◦Disco duro: 200Gb ◦Sistema operativo: Windows Xp o posterior ◦Puertos de expansi´on: 2 puertos usb2.0 3.5. Conclusiones Al finalizar este cap´ıtulo quedan completamente definidas las especificaciones que el proyecto ha de cumplir. Basado en la metodolog´ıa de desarrollo en V, se han definido las especificaciones del proyecto, comenzando desde las especificaciones m´as globales definidas en las especificaciones de usuario, hasta entrar m´as en detalle definiendo que componentes y de que forma implementar´an el equipo. Gracias a la metodolog´ıa de desarrollo el proyecto ha quedado definido de una forma clara, organizada y jer´arquica. Dentro de la definici´on de especificaciones de usuario se han definido claramente las caracter´ısticas finales que ha de tener el equipo, posteriormente en las especificaciones de componentes se han definido las partes que lo formar´an y para finalizar, se han definido los componentes que formar´an cada parte del equipo en la especificaci´on en detalle. Esta definici´on tan rigurosa y esquematizada ser´a un punto de apoyo claro a la hora de desarrollar el equipo, ya que proporcionar´a a los desarrolladores una gu´ıa concreta sobre el objetivo a lograr, facilitando dentro del equipo de proyecto las labores de planificaci´on y coordinaci´on a la hora de definir el alcance del proyecto y gestionar el equipo de desarrollo. De igual forma facilitar´a al equipo de desarrollo las labores de testeo y validaci´on que han de realizarse de forma continua, permitiendo verificar con facilidad si los objetivos alcanzados coinciden con los definidos en el proyecto y corrigiendo a tiempo el desarrollo en caso de que no cumpla con lo especificado. Francisco Javier Murillo Arroba 53 Cap´ıtulo 4 Desarrollo 4.1. Introducci´on Una vez especificados todos los componentes, sus caracter´ısticas y su funci´on dentro del equipo es el momento de continuar con el siguiente paso dentro del diagrama de metodolog´ıa en V, el desarrollo y la validaci´on del equipo. En un primer momento se han de desarrollar e implementar cada componente y parte del equipo definida dentro de la columna izquierda del desarrollo en V, esta implementaci´on y desarrollo se realizar´a de forma inversa a como se defini´o, es decir, empezando por desarrollar los componentes de la ingenier´ıa de detalle y finalizando con la implementaci´on y validaci´on del equipo completo. En todo momento y tras desarrollar cada componente y cada parte del equipo se testear´a que este cumple con las especificaciones pedidas, asegurando de esta forma que se est´a cumpliendo con la ejecuci´on del proyecto. Este desarrollo y validaci´on se dividir´a en tres partes principales: desarrollo de detalle, donde se mostrar´a el desarrollo de los componentes m´as b´asicos del equipo, desarrollo de componentes, donde se validar´an las diferentes partes que componen el equipo y finalmente desarrollo de usuario, donde se mostrar´a el desarrollo y la validaci´on del equipo completamente montado. 4.2. Desarrollo de detalle Dentro del desarrollo en detalle se especificar´an las soluciones que se han llevado a cabo para cumplir las especificaciones pedidas. Se expondr´an los componentes finales que se han utilizado para formar las diferentes partes del equipo, as´ı como sus caracter´ısticas concretas, funcionamiento e implementaci´on final. A la hora de definir los componentes desarrollados en la ingenier´ıa de detalle se dividir´an inicialmente dentro de la parte final del equipo que ocupar´a cada uno. As´ı se pueden dividir los diferentes componentes dentro de: Pack de bater´ıas Dentro de la ingenier´ıa de detalle, para cumplir con las especificaciones requeridas para el pack de bater´ıas se han desarrollado las siguientes partes: 1. Celda individual: Para cumplir con las especificaciones requeridas de capacidad, peso y tensi´on en bornas del pack de bater´ıas se ha seleccionado el modelo de celda individual Cress LiFePO 75. Francisco Javier Murillo Arroba 54 26 de noviembre de 2016 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.2. DESARROLLO DE DETALLE Esta celda tiene las siguientes caracter´ısticas: •Qu´ımica: LiFePO •Capacidad nominal: 75Ah •Tensi´on nominal: 3.2V •Temperatura de operaci´on: entre 0 y 40oC •Ciclos de descarga completa: aproximadamente 3000 ciclos •Dimensiones: 19x183x263mm •Peso: 1660g Las cuales cumplen con las exigencias de capacidad, peso, forma y tensi´on especificadas para las celdas que componen el pack de bater´ıas. En la figura 4.1 se muestra una de las celdas Cress seleccionadas durante el desarrollo. Figura 4.1: Celda Cress 75Ah 2. BMS local: El BMS local tal y como se especific´o en la ingenier´ıa de detalle ha de cumplir dentro del pack de bater´ıas las funciones de balanceo y testeo de las celdas individuales, as´ı como las funciones necesarias de comunicaci´on para informar a la unidad central de posibles fallos Para cubrir estas necesidades en el apartado de desarrollo en detalle se ha escogido un dispositivo BMS Zeva12, que actuar´a como BMS local de cada pack de bater´ıas, las principales caracter´ısticas de este dispositivo son: •Celdas gestionadas: entre 4 y 12 celdas •Tensi´on m´axima admitida: 60Vdc •Umbral de balanceo configurable: entre 0 y 5000mV •Tipo de balanceo: pasivo •Resistencias de balanceo: 30ohm •Sondas de temperatura: 2 sondas NTC de 100K •Protocolo de comunicaci´on: Can 2.0A est´andar, 125Kbps •Tensi´on de alimentaci´on del bus de comunicaci´on: 12V •Peso: 35g Con estas caracter´ısticas quedan perfectamente cubiertas las especificaciones exigidas en la ingenier´ıa de detalle para este dispositivo, dotando tambi´en al pack de bater´ıas de un sistema de comunicaci´on mediante bus CAN. En la figura 4.2 se puede observar el dispositivo Zeva12. Francisco Javier Murillo Arroba 55 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.2. DESARROLLO DE DETALLE Figura 4.2: BMS Zeva12 3. Desarrollo final del pack Una vez seleccionados los componentes principales del pack de bater´ıas se procede a la implementaci´on del mismo. Con el fin de cumplir los requisitos exigidos para el pack, se ensamblar´an un total de 8 celdas Cress LiFePO 75Ah en serie, apil´andolas de forma ascendente una encima de otra y dotando finalmente al pack de un disipador de calor y un ventilador para una evacuaci´on forzada de aire. Cada una de estas celdas se ha conectado a las entradas de testeo y balanceo del dispositivo BMS Zeva12, cumpliendo as´ı con las especificaciones exigidas de balanceo y testeo de forma local dentro de cada pack. Para cumplir las condiciones de modularidad exigidas cada pack de bater´ıas tiene accesibles dos bornas ( positiva y negativa), que facilitan la conexi´on de varios m´odulos en serie para su posterior ensamblaje dentro de las bandejas de bater´ıas. As´ı mismo se ha dejado accesible una terminaci´on del bus de comunicaciones CAN del BMS Zeva12 con el fin de facilitar la conexi´on de cada m´odulo con el bus de comunicaciones del equipo. Se ha obtenido finalmente un pack de bater´ıas con las siguientes caracter´ısticas: •Tensi´on en bornas:26V •Capacidad nominal:75Ah •Ciclos de descarga completa:3000 •Comunicaciones:CAN 2.0A •Balanceo de celdas: balanceo pasivo •Peso: 18Kg •Dimensiones:200x200x400mm Cumpliendo as´ı con las especificaciones exigidas para esta parte del equipo. En la figura 4.3 se puede observar el conexionado de un BMS Zeva12 con un conjunto de 12 bater´ıas en serie y en la figura 4.4 se muestra una imagen del resultado final de la implementaci´on del pack de bater´ıas. Francisco Javier Murillo Arroba 56 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.2. DESARROLLO DE DETALLE la ayuda de un amplificador operacional se adapta la corriente de salida del sensor, transform´andola de tal forma que a la entrada del DSP llegue una tensi´on de 0V para la lectura de 0V en bornas y 3V para la lectura de 700V en bornas (fondo de escala). Figura 4.14: Circuito auxiliar de adaptaci´on de tensi´on •Lectura de la corriente del bus: para obtener la corriente que circula por el bus de continua se ha utilizado un sensor marca LEM modelo LA200-P cuyas principales caracter´ıstica son: ◦Rango de corriente de lectura: +/-300A ◦Intensidad de salida: 100mA ◦Tensi´on de alimentaci´on: +/-15V ◦Consumo:35mA ◦Tensi´on de aislamiento: 3KV En la figura 4.15 se muestra el dispositivo de lectura de corriente descrito. Figura 4.15: Sensor LA200-P Para adaptar la tensi´on de alimentaci´on y la salida de la lectura del dispositivo se ha utilizado el circuito auxiliar mostrado en la figura 4.16. Este circuito proporciona mediante un DC/DC la tensi´on de alimentaci´on que necesita el dispositivo LEM a partir de la alimentaci´on general de 12Vdc que proporciona una fuente de alimentaci´on externa al circuito de control. Posteriormente y mediante la ayuda de un amplificador operacional se adapta la corriente de salida del sensor, transform´andola de tal forma que a la entrada del DSP llegue una tensi´on de 0V para la lectura de -300A en el bus y 3V para la lectura de 300A en el bus. Francisco Javier Murillo Arroba 63 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.2. DESARROLLO DE DETALLE Figura 4.16: Circuito auxiliar de adaptaci´on de corriente 3. Implementaci´on final del m´odulo de control Una vez definidos los componentes principales del sistema de control y mediciones este quedar´a implementado como se muestra en la figura 4.17. Figura 4.17: Diagrama de distribuci´on de mediciones y control Con esta implementaci´on final se consigue desarrollar un control central capaz de conocer en todo momento el estado del equipo mediante la informaci´on que le llega por el bus de comunicaciones, de conocer el estado del bus de continua a trav´es de los sensores de tensi´on y corriente instalados y de calcular y ejercer sobre el equipo las acciones de control necesarias en cada momento. En la figura 4.18 se puede observar la implementaci´on del sistema de control desarrollado. Francisco Javier Murillo Arroba 64 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.2. DESARROLLO DE DETALLE Figura 4.18: Parte de control de la bandeja de protecciones Protocolo del bus de comunicaciones El protocolo de comunicaciones que se ha implementado para este equipo es el protocolo CAN 2.0A, este protocolo de comunicaciones identifica cada mensaje con un identificador propio de 9 bits, pudiendo albergar hasta un total de 2.048 mensajes diferentes. Se basa en el modelo productor/consumidor, paradigma de comunicaci´on de datos a trav´es del cual puede existir un productor y varios consumidores en la misma red. Su protocolo de arbitraje del medio es el CSMA/CD mediante el cual cada nodo establece una escucha continua del medio y detecta si se producen colisiones. Con todo esto, este protocolo ofrece las siguientes ventajas : •Prioridad de mensajes. •Detecci´on y se˜nalizaci´on de errores. •Retransmisi´on autom´atica de tramas err´oneas •Sistema multimaestro robusto. •Flexibilidad de configuraci´on. Cumpliendo as´ı con las especificaciones exigidas para el protocolo de comunicaciones. Bus de comunicaciones Con el fin de cumplir con las especificaciones de comunicaci´on pedidas se ha desarrollado un sistema de comunicaciones dentro del equipo basado en un bus de comunicaciones CAN, a trav´es del cual podr´an comunicarse los BMS locales con el control central y el sistema SCADA que se encontrar´a fuera del armario principal del equipo. Se ha desarrollado tanto el bus f´ısico como los programas propios necesarios dentro del control central y el sistema SCADA, con el fin de gestionar todas las comunicaciones necesarias entre los diferentes nodos del bus. 1. Componentes del bus Los principales componentes del bus para realizar las comunicaciones necesarias entre las distintas partes del equipo son los nodos de comunicaci´on y el bus central. Francisco Javier Murillo Arroba 65 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.2. DESARROLLO DE DETALLE •Bus central de comunicaciones: el bus central de comunicaciones es la canalizaci´on por donde pasar´an todos los flujos de comunicaci´on de los diferentes dispositivos del sistema que necesiten mandar o recibir informaci´on. Este bus f´ısicamente se basa en una l´ınea cableada compuesta principalmente por tres l´ıneas independientes entre s´ı, denominadas: CAN H, CAN L y GND. Los dispositivos conectados a estas l´ıneas variar´an el nivel de tensi´on de las mimas con el fin de generar a nivel f´ısico el protocolo de comunicaci´on CAN. La longitud de este bus viene limitada por la tasa de transferencia de datos que se quiera conseguir seg´un se muestra en la figura 4.19. En el caso de este desarrollo la tasa de transferencia est´a fijada por los BMS locales en 125Kbps permitiendo una longitud m´axima de bus de 450 metros, m´as que suficiente para el bus del equipo que no exceder´a en el peor de los casos los diez metros de longitud. Figura 4.19: Distancia/tasa de transferencias del bus CAN Otra de los requisitos f´ısicos que ha de implementarse en este bus es la resistencia de terminaci´on de l´ınea, se trata de una resistencia de 120ohm que ha de ser colacada al principio y al final del bus de datos entre CAN H y CAN L, como se muestra en la figura 4.20, generando una impedancia entre la l´ınea H y la l´ınea L de aproximadamente 60ohm, con el fin de evitar reflexiones en la comunicaci´on. Figura 4.20: Diagrama de bus CAN •Nodos del bus: los nodos del bus son los dispositivos que se conectar´an al bus de comunicaciones para enviar o recibir informaci´on. En nuestro caso particular se tienen tres tipos de nodos diferentes: el BMS local, el cual trae una programaci´on pre configurada con unos requisitos espec´ıficos a la hora de comunicar por CAN, Francisco Javier Murillo Arroba 66 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.2. DESARROLLO DE DETALLE el control centra(DSP)cuya forma de comunicaci´on se configurar´a mediante el desarrollo de un c´odigo de control propio y finalmente el sistema SCADA, cuya principal funci´on ser´a la de monitorizar la informaci´on proporcionada por el control central. Las particularidades que presenta cada nodo a la hora de comunicarse por el bus CAN se desarrollar´an con mayor detalle en el apartado de detalle de los nodos. Por lo tanto, una vez desarrollado el bus central y los nodos de comunicaci´on el sistema final de comunicaciones presentar´a una estructura como la mostrada en la figura 4.21, donde cada nodo se conectar´a al bus de forma independiente y leer´a en todo momento los mensajes que los otros nodos pongan en el bus, realizando transmisiones cuando sea necesario. Figura 4.21: Red CAN del equipo de baterias 2. Detalle de los nodos A la hora de utilizar cada nodo es importante tener en cuenta sus particularidades, ya que aunque trabajen sobre el mismo protocolo de comunicaci´on la forma de transmitir la informaci´on y la informaci´on transmitida puede ser distinta en cada nodo, en el caso particular de este desarrollo los nodos act´uan de la siguiente forma: •BMS local: en total el bus contar´a con 16 BMS locales, estos dispositivos implementan un modo de comunicaci´on tipo pregunta/respuesta, permanecen sin comunicar ninguna trama al bus hasta que el control central les pregunta por alguna trama concreta y estos responden poniendo en el bus de datos dicha trama con un identificador particular. En concreto se pedir´a a los BMS locales de forma continua (cada 500ms) tres tramas, dos de ellas en las que se devuelve la tensi´on individual de las celdas a las que est´an conectados y la temperatura de las sondas y otra en la que se devuelve el estado del dispositivo. Las tramas est´an ordenadas como muestra el fabricante en el datasheet del producto, en la figura 4.22 se muestran las tramas pedidas BMS local y su ordenaci´on. Francisco Javier Murillo Arroba 67 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.2. DESARROLLO DE DETALLE Figura 4.22: Tramas CAN del BMS local •BMS central: el BMS central o control central estar´a conectado al bus de comunicaciones como un nodo m´as, su funci´on dentro de este bus ser´a la de pedir y recoger las tramas de informaci´on proporcionadas por los BMS locales y el sistema SCADA y una vez procesada la informaci´on enviar al sistema SCADA los par´amentros necesarios para la monitorizaci´on del sistema. Pedir´a a cada BMS local cada 500ms las tramas correspondientes a la informaci´on sobre la tensi´on de sus celdas, la temperatura de sus sondas y el estado general del dispositivo, almacenando las tramas de respuesta en los mailbox internos del dispositivo y procesando posteriormente los datos. Una vez procesados estos datos el BMS central generar´a una serie de tramas que enviar´a al sistema SCADA para la monitorizaci´on de los par´ametros del sistema. Estas tramas contienen par´ametros como la tensi´on individual de cada celda del sistema, la intensidad medida en el bus de continua, la temperatura de cada sensor, etc. Las tramas enviadas por el BMS central y su ordenaci´on se pueden observar en la figura 4.23. Francisco Javier Murillo Arroba 68 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.2. DESARROLLO DE DETALLE Figura 4.23: Tramas enviadas por el BMS central A parte de la informaci´on recibida por los BMS locales, el BMS central tambi´en recibe ´ordenes de control del usuario a trav´es del SCADA, recibiendo cada 100ms una trama que le indica si debe o no sacar al equipo del bus de continua, esta trama de control se muestra en la figura 4.24. Figura 4.24: Tramas enviadas por el sistema SCADA •SCADA: el sistema SCADA actuar´a como un nodo m´as del bus de datos, dedic´andose principalmente a leer y procesar los mensajes recibidos del BMS central. Cada 100ms de forma peri´odica comunicar´a al bus las ´ordenes que el usuario proporcione al equipo mediante el frontal del SCADA. La trama de control enviada se muestra en la figura 4.24. Para el desarrollo del bus de comunicaciones y de los programas software del control central y sistema SCADA se han tenido en cuenta estas particularidades, con el fin de obtener el comportamiento deseado del sistema de comunicaciones. 3. Desarrollo del sistema SCADA Para cumplir con las especificaciones del sistema en cuanto a la interfaz con el usuario se ha desarrollado un sistema SCADA capaz de monitorizar el estado del equipo y ofrecer a usuario la posibilidad de actuar sobre el mismo. El sistema SCADA se ha desarrollado e implementado en un PC externo al equipo de bater´ıas, para el desarrollo del sistema SCADA se ha utilizado la herramienta software LabVIEW, un software de programaci´on gr´afica que utiliza un modelo de flujo de datos en lugar de l´ıneas secuenciales de c´odigo de texto, lo que le permite escribir c´odigo funcional utilizando un dise˜no visual. Este software permite crear sistemas SCADA configurando dos ventanas principales del programa: el frontal del sistema, ventana que ver´a el usuario final una vez se ejecute la aplicaci´on y el diagrama de conexiones, donde se implementar´a y ejecutar´a todo el c´odigo de programaci´on del SCADA ( esta parte permanece invisible al usuario en todo momento). Para el desarrollo del sistema se ha creado un frontal donde se muestran las tensiones individuales de cada celda y la temperatura de cada pack de bater´ıas, ordenados por bandejas. Tambi´en se muestran de forma gr´afica otros par´ametros del equipo como tensi´on de bus, corriente de bus, c´odigo de error en caso de producirse y un fallo y estado de carga. Internamente el SCADA obtiene toda esta informaci´on de las tramas que por bus CAN le env´ıa el BMS central del equipo, a parte de las acciones de monitorizaci´on el frontal del equipo tambi´en ofrece opciones de control sobre el equipo. Estas acciones de control se basan en la apertura o cierre de contactores para sacar al equipo de la red, estas ´ordenes ser´an transmitidas cada 100ms por bus CAN al control central del equipo, que actuar´a sobre los contactores seg´un la ´ordenes recibidas. Francisco Javier Murillo Arroba 69 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.3. DESARROLLO DE COMPONENTES En la figura 4.25 se puede observar una im´agen del equipo SCADA desarrollado. Figura 4.25: Sistema SCADA implementado Para poder comunicar el PC con el bus de comunicaciones se ha utilizado una pasarela de la marca VsCom modelo USBtoCAN, esta pasarela es la encargada de transformar los mensajes que circula por el bus CAN de tal forma que el PC pueda leerlos e interpretarlos. Transforma los mensajes CAN a protocolo serie que posteriormente son le´ıdos por el PC e interpretados por el SCADA mediante una API propia del dispositivo y compatible con el software de programaci´on LabVIEW. En la figura 4.26 se muestra la pasarela utilizada. Figura 4.26: Pasarela USB-CAN 4.3. Desarrollo de componentes Dentro de este apartado se especificar´an los desarrollos realizados de las diferentes partes que componen la unidad final del sistema bater´ıas y como se han ensamblado entre s´ı para alcanzar las especificaciones deseadas. Para exponer los diferentes desarrollos, estos se van a dividir en las partes principales que componen el equipo, exponiendo cada una de ellas, los componentes que se han utilizado para crearlas y su funci´on y caracter´ısticas. Finalizando este apartado con el desarrollo del ensamblaje final del equipo. Las partes principales del desarrollo del equipo se descomponen en: Francisco Javier Murillo Arroba 70 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.3. DESARROLLO DE COMPONENTES Bandeja de bater´ıas Esta parte del equipo est´a compuesta internamente por varios packs de bater´ıas, en concreto para cumplir las especificaciones el´ectricas requeridas se han conectado tres packs de bater´ıas en serie, cada uno con su propio control local de seguridad y balanceo para las celdas. Con el fin de cumplir las especificaciones de modularidad que ha de cumplir esta parte del equipo, se ha dotado a la bandeja de bater´ıas de unas borneras de potencia externas, a trav´es de las cuales se podr´a acceder a la energ´ıa interna almacenada en la bandeja y conectar en serie varias bandejas de forma sencilla. Se ha dotado al frontal de la bandeja con una salida del bus de comunicaciones interno, que permitir´a interconectar todas las bandejas al bus de comunicaciones del equipo, comunicando entre s´ı todas las bandejas con el control central y los equipos exteriores. En cuanto a los materiales de montaje se ha utilizado un caj´on de aluminio perforado, con el fin de cumplir las condiciones necesarias de robustez, ventilaci´on, peso y tama˜no, con un frontal dotado de las conexiones necesarias de potencia y comunicaci´on f´acilmente accesibles para la conexi´on de varias bandejas entre s´ı. Las caracter´ısticas concretas de la bandeja desarrollada son: •Tensi´on nominal en bornas: 80V. •Capacidad total: 75Ah •Potencia nominal: 6KW •Potencia pico: 15KW •Dimensiones: 600*250*1100mm •Peso: 60Kg •Comunicaciones: CAN2.0A •Terminales de conexi´on externos: borna positiva del bus de continua, borna negativa del bus de continua, comunicaciones CAN. Cumpliendo as´ı con las especificaciones pedidas para esta parte del equipo. En la figura 4.27 se puede observar una imagen de la bandeja final desarrollada y en la figura 4.28 una im´agen de la parte interna de la misma bandeja. Figura 4.27: Bandeja de bater´ıas Francisco Javier Murillo Arroba 71 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.3. DESARROLLO DE COMPONENTES Figura 4.28: Interior de la bandeja de bater´ıas Bandeja de protecciones y control La bandeja de protecciones y control est´a incluida dentro del equipo final junto a las bandejas de bater´ıas, esta bandeja tiene la funci´on de hacer de control central para todo el equipo y de proteger el bus de continua contra situaciones de funcionamiento peligrosas. Est´a compuesta por dos partes principales, la secci´on de control y la secci´on de protecciones, dispuestas f´ısicamente como se muestra en el diagrama de la figura 4.29. Figura 4.29: Distribuci´on de la bandeja de protecciones Se ha desarrollado una parte de control principal capaz de recibir informaci´on tanto de los BMS locales, conociendo as´ı el estado del equipo, como de los sensores conectados al bus de continua, procesando dicha informaci´on y generando las se˜nales de control adecuadas en cada momento. Con este control central implementado se cumplen las especificaciones de control requeridas para el equipo. La parte de protecciones sobre el bus de continua desarrollada se centra en una serie de protecciones por sobre intensidad basadas en fusibles, la cual proteger´a el bus de continua Francisco Javier Murillo Arroba 72 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.4. DESARROLLO DE USUARIO •Estado de funcionamiento correcto: Este estado se encontrar´a en continua ejecuci´on siempre que las condiciones del equipo y de la red sean las adecuadas para un correcto funcionamiento permaneciendo conectado a la red en todo momento. Cuando el equipo se encuentra en este estado realiza un chequeo continuo del estado de las celdas individuales de bater´ıas a trav´es de la informaci´on facilitada por los BMS locales, evaluando que la tensi´on y temperatura de las mimas se encuentren dentro del rango adecuado. El estado de las bater´ıas y del bus de continua es monitorizado y enviado mediante el bus de comunicaciones al sistema SCADA donde el usuario podr´a visualizar cada par´ametro del equipo en todo momento. S´olo se sale del estado de funcionamiento correcto si, en el chequeo rutinario realizado por el control central este encuentra alg´un par´ametro del equipo fuera de rango o si el usuario decide salir de este modo, lanzando la orden manualmente desde el panel del SCADA. Si ocurre cualquiera de estas situaciones se pasar´a autom´aticamente al modo de error, donde se sacar´a al equipo de la red y se monitorizar´a su estado hasta que se corrija el fallo. •Estado de error: Este estado se ejecutar´a cuando el equipo se encuentre en una situaci´on en la que no sea posible un correcto funcionamiento del mismo, cuando se ejecuta este estado el equipo permanece desconectado de la red en todo momento y se realiza una motorizaci´on continua del equipo esperando a que se corrija el fallo. Si alguna de las celdas del equipo se sale de los rangos de tensi´on y temperatura configurados autom´aticamente el equipo entrar´a en modo error, abriendo los contactares de la bandeja de protecciones para sacar al equipo de la red y posteriormente comunicando al sistema SCADA el estado de error y el evento concreto que lo ha provocado, permitiendo al usuario visualizar toda esta informaci´on. Desconectado el equipo de la red se realizar´a una monitorizaci´on constante del estado de las celdas y del estado del bus de continua, una vez que se corrijan los fallos en las celdas y el control central compruebe que es viable volver a conectar el equipo a la red (todas las celdas individuales se encuentran dentro de su rango y la diferencia de tensi´on entre el equipo y el bus de continua no excede los 30Vdc), se pasar´a autom´aticamente al estado de funcionamiento correcto. Interfaz con el usuario Para cumplir con las diferentes especificaciones de interfaz con el usuario exigidas se han desarrollado varios puntos de interacci´on del usuario con el equipo. Estos puntos de interacci´on se pueden dividir b´asicamente en puntos f´ısicos, como son leds de estado, interruptores de marcha, etc. y puntos software donde se encuentra el sistema SCADA •Puntos f´ısicos: Los puntos f´ısicos de interacci´on desarrollados para el equipo han sido tres, una seta de seguridad, un interruptor de corte general y unos leds de estado. La seta de seguridad se encuentra en la puerta del armario del equipo y su funci´on es sacar al equipo de la red en caso de emergencia, una vez pulsada abre los contactores y desconecta el equipo del bus de continua. el interruptor de corte general se encuentra cercano a la seta de seguridad, en la puerta del equipo y su funci´on es la de cortar la alimentaci´on general de la parte de control del equipo, al desactivar este interruptor se elimina la alimentaci´on del DSP y los BMS locales, abriendo tambi´en los contactores. Los leds de estado se han ubicado en la bandeja de protecciones del equipo, con el fin de proporcionar al usuario informaci´on sobre el estado del mismo de forma r´apida y Francisco Javier Murillo Arroba 79 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.4. DESARROLLO DE USUARIO visual, se han instalado tres leds: un led verde que indica que el equipo se encuentra en el estado correcto de funcionamiento, un led rojo que que indica el estado de error y uno amarillo que indica el estado de inicializaci´on. En la figura 4.41 se puede observar los leds instalados en la bandeja de protecciones. Figura 4.41: Leds del frontal de la bandeja •Puntos software: El punto software de interacci´on con el usuario es el sistema SCADA que se ejecutar´a en un PC conectado al equipo, este sistema SCADA se comunicar´a con el control central compartiendo ´ordenes e informaci´on en todo momento, proporcionado al usuario una visualizaci´on del estado del equipo con m´as detalle y la posibilidad de sacar al equipo de la red si as´ı lo estimara oportuno. El apartado de monitorizaci´on del SCADA proporciona al usuario la tensi´on den circuito abierto de cada una de las celdas y la temperatura de todos los sensores instalados, todo esto dividido por bandejas. Muestra de forma num´erica y gr´afica el estado de carga del equipo, la intensidad que est´a circulando y la tensi´on en bornas. En el apartado de control ofrece al usuario la posibilidad de sacar al equipo de la red mediante tres interruptores distintos situados en el frontal del SCADA, estos interruptores dan la orden al control central de abrir o cerrar los contactores de la bandeja de protecciones, los interruptores K1 y K2 act´uan sobre el contactor 1 y 2 respectivamente, mientras que el interruptor P act´ua sobre los dos contactores a la vez. En la figura 4.42 se puede observar una imagen del frontal del SCADA implementado. Figura 4.42: Frontal del SCADA implementado Terminales externos de conexionado Para cumplir con las especificaciones exigidas al equipo a la hora de conectarlo tanto al bus de continua como con otros equipos se ha implementado una salida de potencia y una salida de comunicaciones. Francisco Javier Murillo Arroba 80 CAP´ ITULO 4. DESARROLLO 4.5. CONCLUSIONES La salida de potencia del equipo tendr´a la funci´on de servir como punto de conexi´on para cualquier dispositivo que se quiera conectar al bus de potencia del armario, con el fin de facilitar las posteriores conexiones con el equipo se han instalado dos accesos a las bornas positiva y negativa del bus, este acceso se ha instalado en la bandeja de protecciones y se ha implementado mediante un pasa muros aislado compuesto por un tornillo de acero de m´etrica 10, capaz de soportar una corriente superior a 500A y con un poder de aislamiento de 2KV. Finalmente se han cubierto estas dos bornas de conexi´on con un capuch´on aislante como medida de seguridad. En cuanto a la salida de comunicaciones se ha instalado en el frontal del equipo una salida que conecta directamente con el bus de comunicaciones CAN, con la finalidad de proporcionar al SCADA un punto de conexi´on donde poder comunicarse con el equipo. Esta salida se ha implementado mediante un conector DIN de 5 pines hembra, conectando tres de ellos directamente a la parte de CAN L, CAN H y GND del bus CAN del equipo. Acciones de mantenimiento La ´unica acci´on de mantenimiento que ser´a necesaria en el equipo una vez instalado y funcionando ser´a la sustituci´on de las bater´ıas al final de la vida ´util de estas. Una vez que las bater´ıas reduzcan su capacidad m´axima a un 80 % de la capacidad que tra´ıan de f´abrica estas habr´an alcanzado el final de su vida ´util. Una vez que esto suceda es recomendable sustituir las bater´ıas por otras iguales o equivalente ya que la eficiencia en los procesos de carga/descarga se reducir´a notablemente, as´ı como la capacidad m´axima del equipo. 4.5. Conclusiones Finalmente una vez desarrollado el equipo completo se ha podido validar su funcionamiento final, cumpliendo con las especificaciones de usuario pedidas. Durante el desarrollo del proyecto la continua validaci´on y testeo de cada componente y parte creada ha permitido realizar una correcta y continua ejecuci´on del proyecto, solucionando los problemas de desarrollo que se han presentado durante la implementaci´on del equipo de forma acotada e individual. Al tener unas especificaciones claras de la funci´on que deb´ıa cumplir cada componente y parte del equipo se han podido testear de forma c´omoda y clara cada parte desarrollada, pudiendo confirmar su correcto desarrollo y proporcionando informaci´on sobre el avance real del proyecto. Se puede concluir por lo tanto que la metodolog´ıa de desarrollo en V proporciona grandes beneficios a la hora de definir y desarrollar un proyecto, proporcionando un desarrollo claro y transparente que ayuda a optimizar los recursos del equipo de proyecto, reduciendo los esfuerzos de implementaci´on y validaci´on y generando confianza en los desarrollos realizados gracias a los continuos test y validaciones. Francisco Javier Murillo Arroba 81 Cap´ıtulo 5 Experimentaci´on En este cap´ıtulo se expondr´an algunas de las pruebas realizadas sobre el equipo para verificar el funcionamiento tanto de partes individuales del mismo como del conjunto completo. Estos experimentos se han llevado a cabo durante la fase de desarrollo y una vez ya montado el equipo completo, verificando que cada parte desarrollada cumpla con las especificaciones pedidas. Las pruebas m´as relevantes sobre el equipo o partes del mismo se muestran a continuaci´on. 5.1. Pruebas sobre el bus y dispositivos de comunicaciones Para verificar el funcionamiento del bus de comunicaciones se han realizado varias pruebas tanto a componentes individuales del bus como al bus completo. Estas pruebas se han basado principalmente en la verificaci´on de las comunicaciones y mapas CAN de cada dispositivo, comprobando que los mensajes que cada nodo escribe en el bus son los correctos. Se han llevado a cabo comunicando cada dispositivo del bus CAN con el PC a trav´es de la pasarela USB-CAN de VsCOM utilizada durante el desarrollo del bus y utilizando finalmente a nivel de aplicaci´on el programa CANHacker que, a trav´es de la pasarela mencionada es capaz de monitorizar el bus en todo momento y escribir mensajes en el mismo. 5.1.1. Comunicaci´on del BMS local Para verificar el correcto funcionamiento de los BMS locales se va a realizar una prueba de comunicaci´on con un BMS de los 16 que se han instalado. Para realizar esta prueba se va a implementar a trav´es de la pasarela de comunicaciones y la aplicaci´on CANHacker el protocolo de pregunta-respuesta que incorporan estos dispositivos. Para ello se seleccionar´a el BMS con el identificador 0, al cual se le preguntar´a por la trama en la que devuelve el estado y las tensiones de las celdas. Se han depositado en el bus tres tramas RTR de pregunta, en concreto las tramas con los identificadores 64, 66 y 68 (hex.), esperando del BMS local la respuesta a estas tres tramas de pregunta, las tramas con los identificadores 65, 67 y 69 (hex.). Como se puede ver en la figura 5.1 el BMS local responde a estas tramas de pregunta con las respuestas que se esperaban. Francisco Javier Murillo Arroba 82 26 de noviembre de 2016 CAP´ ITULO 5. EXPERIMENTACI´ ON5.1. PRUEBAS SOBRE EL BUS Y DISPOSITIVOS DE COMUNICACIONES Figura 5.1: Tramas de pregunta/respuesta al BMS1 De forma an´aloga se ha realizado la comprobaci´on de la comunicaci´on con todos los BMS locales del equipo, verificando en todos los casos que la comunicaci´on obtenida sea la deseada. 5.1.2. Comunicaci´on del BMS central El BMS central implementa un protocolo de comunicaciones en el que continuamente, cada 300ms, transmite por el bus CAN las tramas que van destinadas a la comunicaci´on con el sistema SCADA y cada 500ms las tramas de pregunta para cada BMS local. Para verificar este funcionamiento se ha monitorizado el bus de comunicaciones a trav´es de la pasarela USB-CAN, verificando el correcto funcionamiento del dispositivo dentro del bus de comunicaciones. En la secci´on de comunicaciones dirigida al SCADA el dispositivo ha de transmitir un total de 50 tramas de comunicaci´on CAN, estas tramas estar´an distribuidas con los identificadores del 1 a 40 (hex.) y en ellas se transmitir´a informaci´on sobre el estado del equipo de bater´ıas. Para realizar la petici´on de informaci´on a los BMS locales, el BMS central implementa un bucle de peticiones que se ejecutar´a cada 500ms, a trav´es de este bucle el BMS central transmite las tramas de petici´on de informaci´on necesarias para cada BMS, transmitiendo un total de 48 tramas dedicadas a peticiones de informaci´on. En la figura 5.2 se muestran las tramas de petici´on emitidas. Francisco Javier Murillo Arroba 83 CAP´ ITULO 5. EXPERIMENTACI´ ON5.1. PRUEBAS SOBRE EL BUS Y DISPOSITIVOS DE COMUNICACIONES Figura 5.2: Tramas de petici´on del BMS central Como se puede observar en la figura 5.2, todas las tramas de petici´on necesarias para el correcto funcionamiento del equipo se transmiten sin ning´un problema a trav´es del bus. Como verificaci´on final se monitorizar´an las tramas de pregunta y las de respuesta enviadas por cada BMS, obteniendo el resultado mostrado en la figura 5.3 y verificando as´ı el correcto funcionamiento del bus de comunicaciones. Figura 5.3: Tramas de petici´on/respuesta del equipo Francisco Javier Murillo Arroba 84 CAP´ ITULO 5. EXPERIMENTACI´ ON5.2. PRUEBAS DE LOS MECANISMOS DE SEGURIDAD IMPLEMENTADOS 5.1.3. Comunicaci´on del SCADA El sistema SCADA transmitir´a una trama de datos cada 100ms, esta trama contiene las acciones de control que el usuario realiza sobre el equipo a trav´es de la interfaz del SCADA. La trama tiene un identificador fijo y un campo de datos de 3 bytes del cual s´olo se utiliza el primero para indicar al control central el estado en el que el usuario desea que est´en los contactores, los otros dos bytes se reservan para posteriores ampliaciones. Para verificar el correcto funcionamiento del env´ıo de tramas por parte del SCADA se monitorizar´a el bus CAN como en las comprobaciones anteriores. En la figura 5.4 se puede observar la trama de control enviada. Figura 5.4: Trama de control del SCADA 5.2. Pruebas de los mecanismos de seguridad implementados Para verificar el correcto funcionamiento de los contactores a la hora de conectar y desconectar el equipo del bus de continua se han realizado diferentes pruebas sobre el control central y su acci´on sobre los contactores. 5.2.1. Conexi´on inicial del equipo al bus A la hora de una primera conexi´on del equipo a la red este ha de comprobar que tanto el equipo como la red se encuentran en condiciones de poderse conectar. Para ello, la diferencia de tensi´on entre el equipo y el bus de continua al que se va a conectar ha de ser menor de 30V, para verificar este sistema de seguridad se ha conectado al bus de continua una fuente de alimentaci´on marca AMREL. Esta fuente es capaz de suministrar una tensi´on continua regulable entre 0 y 800V, y una corriente m´axima de 20A. En la figura 5.5 se muestra una imagen de la fuente de alimentaci´on descrita. Francisco Javier Murillo Arroba 85 CAP´ ITULO 5. EXPERIMENTACI´ ON5.2. PRUEBAS DE LOS MECANISMOS DE SEGURIDAD IMPLEMENTADOS Figura 5.5: Fuente regulable AMREL Para realizar esta prueba que valida el mecanismo de seguridad de conexi´on inicial a red se ejecutar´a el modo de inicializaci´on del control central. Una vez ejecutada la primera parte de este m´odulo se comprobar´a que el equipo se encuentra correctamente. Una vez verificado el estado correcto del equipo, con la fuente de alimentaci´on de tensi´on continua se pondr´a el bus a la tensi´on necesaria. Se comprobar´a en todo momento que mientras la diferencia entre la tensi´on de bus y la tensi´on del equipo est´e fuera de rango los contactores permanecer´an abiertos en todo momento y una vez que la fuente de alimentaci´on alcance la tensi´on de bus correcta el control central conectar´a el equipo al bus finalizando el modo de inicializaci´on. Quedando as´ı comprobado y validado el correcto funcionamiento del mecanismo de seguridad inicial de conexi´on al bus de continua. 5.2.2. Paso del estado de funcionamiento correcto a error y viceversa Mediante esta prueba de validaci´on se comprobar´a el correcto paso del estado de funcionamiento correcto del control central al estado de error y viceversa, validando el comportamiento del equipo en cada modo. Para realizar esta prueba se manipular´a el control central a trav´es de una ejecuci´on de su c´odigo en modo depuraci´on a trav´es del software de programaci´on Code Composer 6, el cual se ha utilizado para desarrollar el c´odigo del control central. En la figura 5.6 se muestra la interfaz de trabajo del programa. Figura 5.6: Pantalla de c´odigo de Code Composer 6 Francisco Javier Murillo Arroba 86 CAP´ ITULO 5. EXPERIMENTACI´ ON 5.3. CALIBRACI´ ON DE LOS SENSORES Para forzar al control central a ir del modo de funcionamiento correcto al modo de error y viceversa se manipular´an mediante depuraci´on los valores de tensi´on y temperatura de las celdas individuales, de tal forma que se saque a estos valores de rango produciendo un error. Mientras el equipo se encuentre en modo de funcionamiento correcto permanecer´a conectado al bus de continua y testeando continuamente que los valores de tensi´on y temperatura de las celdas sean los correctos. Si alguno de estos valores se sale de rango el equipo ha de pasar autom´aticamente a modo error y desconectarse de la red, monitorizando continuamente el estado de las celdas por si se soluciona la incidencia, volviendo en ese caso al modo de funcionamiento correcto. Una vez realizada esta prueba quedan validados los pasos entre los diferentes estados del control central y las acciones que ha de llevar a cabo en cada uno de ellos 5.3. Calibraci´on de los sensores Para un correcto funcionamiento del equipo los sensores de medida instalados en el bus han sido calibrados, con el fin de que la lectura proporcionada por el control central coincida con el valor real del par´ametro medido. Para calibrar el sensor de corriente y el sensor de tensi´on del bus de continua se ha utilizado la fuente de alimentaci´on descrita anteriormente para las pruebas de seguridad. Calibraci´on del sensor de corriente Para calibrar el sensor de corriente se ha conectado la fuente de alimentaci´on en los dos extremos de la parte positiva del bus de continua de la bandeja de protecciones, creando un cortocircuito entre las dos bornas y limitando en corriente la misma. Con esto se consigue medir la corriente que est´a pasando por el sensor hall en todo momento, midiendo tambi´en mediante un mult´ımetro la salida de tensi´on que proporciona la etapa de adaptaci´on del sensor, tensi´on que leer´a el control central. Mediante estas mediciones se obtiene la tabla que se muestra en la figura 5.7, donde se han obtenido varios pares de puntos Corriente/tensi´on . Figura 5.7: Calibraci´on del sensor de corriente Mediante estos puntos se puede definir el comportamiento del sensor, obteniendo mediante la f´ormula 1 la corriente que pasa por el bus en funci´on de la salida de tensi´on proporcionada por el circuito de lectura ( hall + adaptaci´on). y= 0,035x−88,33 (5.1) Francisco Javier Murillo Arroba 87 CAP´ ITULO 5. EXPERIMENTACI´ ON 5.4. PRUEBAS DE AISLAMIENTO DEL EQUIPO Calibraci´on del sensor de tensi´on Para calibrar el sensor de tensi´on se ha conectado la fuente de alimentaci´on en los extremos positivo y negativo del bus de continua de la bandeja de protecciones, quedando este circuito abierto en todo momento. Con esto se consigue medir una tensi´on constante en el bus de continua mediante el sensor LEM, midiendo tambi´en mediante un mult´ımetro la salida de tensi´on que proporciona la etapa de adaptaci´on del sensor, tensi´on que leer´a el control central. Mediante estas mediciones se obtiene la tabla que se muestra en la figura 5.8, donde se han obtenido varios pares de puntos Tensi´on/tensi´on . Figura 5.8: Calibraci´on del sensor de tensi´on Mediante estos puntos se puede definir el comportamiento del sensor, obteniendo mediante la f´ormula 1 la tensi´on del bus en funci´on de la salida de tensi´on proporcionada por el circuito de lectura ( LEM LV100 + adaptaci´on). y= 0,207x−0,607 (5.2) 5.4. Pruebas de aislamiento del equipo A la hora de garantizar el correcto aislamiento el´ectrico del equipo se va a realizar una serie de tests de megado sobre el mismo. Para realizar estos test se va a utilizar un instrumento denominado megger de aislamiento, en concreto se va a utilizar un megger marca FLUKE modelo 1652C, en la figura 5.9 se muestra el megger de aislamiento descrito. Figura 5.9: Megger FLUKE Se ha realizado un test de aislamiento entre el polo positivo de las bornas de potencia del Francisco Javier Murillo Arroba 88 CAP´ ITULO 5. EXPERIMENTACI´ ON5.8. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL SCADA Como se puede observar en las figuras 5.17, 5.18 y en el test de control, los resultados obtenidos al monitorizar el funcionamiento del equipo en pruebas de carga/descarga y control desde SCADA son los correctos, obteniendo en cada momento los resultados de control y las mediciones esperadas sobre el equipo. Estas pruebas de carga y descarga se han realizado mediante un inversor marca GPtech modelo PV100, este dispositivo tiene la capacidad de generar una demanda o una carga de energ´ıa en las bater´ıas, controlada en todo momento por un software propio del dispositivo. Este inversor ser´a el que se utilice en posteriores pruebas para testear el equipo en diferentes rangos de trabajo, nuevos desarrollos y aplicaciones que se vayan generando. Francisco Javier Murillo Arroba 95 Cap´ıtulo 6 Conclusiones y desarrollos futuros 6.1. Conclusiones Dentro del nuevo marco energ´etico de generaci´on distribuida que proporcionan las smart grids, los sistemas de almacenamiento de energ´ıa se consolidan como pieza clave a la hora de poder almacenar y gestionar los recursos generados en cada nodo de la red. Estos sistemas de almacenamiento han evolucionado mucho a lo largo del tiempo, ofreciendo actualmente un sin fin de nuevas posibilidades y tecnolog´ıas a la hora de de implementarlos, destacando en especial los sistemas de almacenamiento basados en bater´ıas de litio. Tecnolog´ıa que debido a su alta densidad de energ´ıa y su reducci´on actual de precio en el mercado se ha impuesto como una de las principales tecnolog´ıas a tener en cuenta para implementar un sistema de almacenamiento. A la hora de emprender el dise˜no de un sistema de almacenamiento basado en bater´ıas de litio para su implementaci´on en smart grids hay que tener presente la profundidad y el alcance que pueden llegar a tener este tipo de proyectos y en consecuencia, hay que plantearse su ejecuci´on de una forma met´odica y organizada, con el fin de evitar un posible fracaso del proyecto por falta de organizaci´on, especificaciones o no medir de forma correcta el alcance del mismo. Llegados a este punto es donde toma relevancia la metodolog´ıa de desarrollo en V, m´etodo desarrollado por la Administraci´on Federal Alemana para regular el proceso de desarrollo de software y aplicable al ´ambito de desarrollo de cualquier tipo de proyecto. Este m´etodo describe las actividades y resultados obtenidos durante el desarrollo y proporciona una gu´ıa para la planificaci´on de proyectos. Utilizando este m´etodo se obtienen unas garant´ıas de calidad a la hora de desarrollar el proyecto, ya que se basa en una continua validaci´on y testeo de cada una de las partes desarrolladas. Permitiendo as´ı comprobar que todo el proyecto se est´a llevando a cabo de forma correcta y permitiendo identificar y corregir con suficiente margen los problemas que puedan surgir durante el desarrollo. A la hora de realizar el proyecto del sistema para almacenamiento en smart grid, se comenz´o como indica el m´etodo de desarrollo en V, definiendo todo el proyecto, empezando por las especificaciones de usuario, las m´as generales del equipo, y en base a esto se especific´o como deb´ıa ser y que funciones deb´ıa cumplir cada parte y componente del equipo. Una vez se han desarrollado las especificaciones del proyecto estas sirven de gu´ıa a la hora de organizar y realizar el desarrollo del mismo, permitiendo al coordinador del proyecto y al equipo t´ecnico repartirse las tareas a realizar de una forma m´as eficiente. Una vez completado el desarrollo de cada parte esta se ha validado conforme a las especificaciones pedidas para el mismo, comprobando que cumple con las mimas y pudiendo continuar el desarrollo de las siguientes partes, teniendo la certeza de que las partes validadas funcionan Francisco Javier Murillo Arroba 96 26 de noviembre de 2016 CAP´ ITULO 6. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS6.2. DESARROLLOS FUTUROS tal y como se esperaba. Gracias a este m´etodo de desarrollo se ha facilitado la tarea de afrontar un proyecto de grandes dimensiones como ha sido el desarrollo del sistema de almacenamiento, proyecto en el que ha participado un equipo de cuatro personas, llevando a cabo tanto labores t´ecnicas como de organizaci´on. Permitiendo finalmente un correcto desarrollo del mismo y una verificaci´on del funcionamiento a trav´es de los continuos test y validaciones que propone el m´etodo de desarrollo en V. 6.2. Desarrollos futuros Una vez finalizado el proyecto se abren las puertas a posibles campos de mejora y ampliaci´on del mismo, se plantear´an a continuaci´on posibles mejoras a realizar sobre el equipo o futuros equipo similares que se puedan desarrollar. Se expondr´an tambi´en nuevas l´ıneas de desarrollo de aplicaciones basadas en el equipo actual construido, con el fin de obtener un soporte m´as amplio y una mayor funcionalidad del sistema de almacenamiento, creando as´ı un producto mucho m´as completo. 6.2.1. BMS propio Una de las posibles mejoras a implementar en equipos futuros es la creaci´on de un sistema de gesti´on local de bater´ıas (BMS local) propio. El equipo actual monta unos BMS locales comerciales b´asicos, los cuales tienen un elevado precio y unas prestaciones b´asicas. Los par´ametros de estos BMS locales no son modificables, debiendo por lo tanto adaptar las especificaciones de algunos m´odulos del equipo, como el m´odulo de comunicaciones a las necesidades de estos dispositivos. Como futura modificaci´on para futuros equipos a construir se desarrollar´a un BMS local propio, pudiendo seleccionar en todo momento los par´ametros del mismo, como por ejemplo velocidad de comunicaci´on, tensi´on de corte de las celdas etc. Tambi´en se buscar´a con este nuevo BMS propio mejorar las prestaciones de balanceo ofrecidas por el BMS comercial, el cual implementa un balanceo pasivo cl´asico que se basa en quemar mediante resistencias la energ´ıa de las celdas con mayor carga, desperdiciando por tanto ese exceso de energ´ıa. Para el nuevo BMS de desarrollo propio se implementar´a un sistema de balanceo activo, que mediante un circuito de recirculaci´on transportar´a la energ´ıa sobrante de las celdas a las que tienen menor carga, equilibrando as´ı el conjunto con las menores p´erdidas posibles. 6.2.2. Algoritmo de control en funci´on de la demanda Como aplicaci´on sobre el equipo existente se pretende desarrollar un algoritmo de control capaz de estimar, en funci´on de la demanda del usuario, el precio de la energ´ıa y el estado de la bater´ıa y del sistema generador la fuente o fuentes de energ´ıa m´as ´optima a utilizar. Se pretende implementar un algoritmo de control que tomando datos sobre los precios de la energ´ıa a trav´es de internet y lecturas sobre el estado de la red sea capaz de determinar acciones de control sobre la smart grid. Se pretende que este algoritmo tome las siguientes decisiones sobre la red, realizando tambi´en las actuaciones necesarias: Decidir´a si se ha de cargar la bater´ıa de la red en un momento dado, atendiendo a hist´oricos de consumo y precio de la energ´ıa. Francisco Javier Murillo Arroba 97 CAP´ ITULO 6. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS6.2. DESARROLLOS FUTUROS Tomar´a decisiones sobre si desconectar el sistema generador de energ´ıa por posibles sobre cargas de la red. A la hora de consumir energ´ıa estimar´a cual es la fuente o combinaci´on de fuentes m´as ´optima para ello, atendiendo al estado de la smart grid, el precio de la energ´ıa y los hist´oricos almacenados. Generar´a hist´oricos sobre las actividades realizadas y los resultados obtenidos para posteriores c´alculos. 6.2.3. Equipos de menor potencia con celdas Panasonic Como futuro desarrollo se ha planteado la posibilidad de desarrollar equipos similares al creado pero de menor potencia, alrededor de 5KW, enfocando su aplicaci´on a un entorno m´as dom´estico. Para ello se ha planteado un cambio principal en el equipo que es la sustituci´on de las celdas individuales de bater´ıas por unas de mayor densidad energ´etica, en concreto de las celdas Panasonic NCR18650b las cuales poseen una densidad de energ´ıa de 243Wh/Kg, permitiendo as´ı la creaci´on de un equipo de menor volumen y peso, caracter´ıstica esenciales a la hora de implementar un equipo de almacenamiento en un entorno dom´estico. En la figura 100 se muestra una imagen de las celdas seleccionadas. Figura 6.1: Celda Panasonic NCR18650b La creaci´on y desarrollo de este tipo de equipos viene motivada por la creciente demanda de sistemas de almacenamientos orientados a instalaciones domesticas generadoras, ya sean aisladas o comunicadas con la red, las cuales tienen unas necesidades de consumo mucho menores al equipo inicial creado y unas necesidades de espacio que tambi´en dificultar´ıan la implantaci´on del sistema de bater´ıas original dentro de la vivienda. En base a estas necesidades se plantea el desarrollo de un nuevo equipo de almacenamiento capaz de solucionar este problema, para ello se plantea un sistema con las siguientes caracter´ısticas: Tensi´on nominal del equipo:450V Capacidad:10Ah Potencia nominal:4500W Tama˜no m´aximo:1500x600x100mm Peso m´aximo:80Kg Francisco Javier Murillo Arroba 98