Sistema de gestión de baterías y eléctrico para vehículo submarino autónomo (bms and electric for auv)

ESCUELA DE INGENIERIA DE TELECOMUNICACIÓN Y ELECTRÓNICA PROYECTO FIN DE CARRERA SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO (BMS AND ELECTRIC FOR AUV) Titulación: Ingeniero de Telecomunicación Autor: David Morales Ventura Tutores: Dr. Aurelio Vega Martínez D. José María Cabrera Peña Fecha: Septiembre 2014 ESCUELA DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN Y ELECTRÓNICA PROYECTO FIN DE CARRERA SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO (BMS AND ELECTRIC FOR AUV) HOJA DE FIRMAS Alumno Fdo.: David Morales Ventura Tutor Tutor Fdo.: Dr. Aurelio Vega Martínez Fdo.: D. José María Cabrera Peña Fecha: Septiembre 2014 ESCUELA DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN Y ELECTRÓNICA PROYECTO FIN DE CARRERA SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO (BMS AND ELECTRIC FOR AUV) HOJA DE EVALUACIÓN Calificación: ___________________________ Presidente Fdo.: Vocal Secretario Fdo.: Fdo.: Fecha: Septiembre 2014 SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO A mis padres, Domingo y Mª Dolores SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO AGRADECIMIENTOS Después de tantos años de estudios, por fin ha llegado el momento de dar las gracias a todas y cada una de las personas que han hecho posible la culminación de mi formación universitaria. En primer lugar debo agradecer a mis padres, Domingo y Mº Dolores, todo el esfuerzo y sacrificio que han realizado para que tanto yo, como mis hermanos, hayamos tenido la posibilidad de estudiar y formarnos en aquello que hemos deseado sin presionarnos, y por haberme apoyado en cada una de las decisiones tomadas a lo largo de mi vida. Especial mención a Aurelio Vega Martínez por haberme acogido como becario en el laboratorio de Servicio de Fabricación y Prototipado de circuitos del Instituto Universitario de Microelectrónica de Las Palmas de Gran Canaria, permitiéndome aprender muchísimo dentro de este mundo y posteriormente haciéndome integrante del equipo AVORA que participó en la competición SAUC-e 2012, hecho que me ha permitido realizar mi proyecto fin de carrera y su dedicación en él; a José María Cabrera por aportarme tanta información y dedicación en el mismo inclusive quitándole tiempo durante su doctorado y a Víctor Déniz González compañero/amigo en la etapa de becario por estar ahí todos los días, ayudarme en todo y a sus “temazos” musicales repetitivos en el momento del café matinal. También debo agradecer todo el apoyo que me han prestado sobre todo en los momentos más difíciles, mis hermanos Oliver y Cesar, novia Estefanía, mis abuelos, tíos y primos por darme ese empujón que evitase que me cayera y no me levantara. Por otro lado, he de expresar mi profunda gratitud a Alfredo y Dorita, padres de Estefanía y al resto de la familia López “Líos” que durante una gran parte del proceso universitario siempre me han animado a seguir hacia adelante. Finalmente agradecer a todas las personas que me he ido encontrando en mi etapa universitaria tanto compañeros, algunos convertidos en amigos, como a profesores que han hecho más ameno y divertido todo esto largo proceso. Muchas gracias a todos de corazón SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO VI Figura 83. Dimensiones placa BMS y balanceador .......................................................... 123 Figura 84. Importación de componentes ........................................................................... 123 Figura 85. Resultado importación de componentes .......................................................... 124 Figura 86. Electrical clearance .......................................................................................... 124 Figura 87. Routing width .................................................................................................. 125 Figura 88. Routing vías style ............................................................................................. 125 Figura 89. Design rule check ............................................................................................. 125 Figura 90. Placa ruteada BMS/Balanceador ..................................................................... 126 Figura 91. Top layer BMS/Balanceador ........................................................................... 126 Figura 92. Bottom layer BMS/Balanceador ...................................................................... 127 Figura 93. Top serigrafía BMS/Balanceador .................................................................... 127 Figura 94. Placa ruteada Quemador .................................................................................. 127 Figura 95. Top layer Quemador ........................................................................................ 128 Figura 96. Bottom layer Quemador ................................................................................... 128 Figura 97. Top serigrafía Quemador ................................................................................. 128 Figura 98. Resultado del proceso de metalización ............................................................ 129 Figura 99. Fallos comunes detectados en componentes smd tras inspección AOI ........... 131 Figura 100. BMS resultante .............................................................................................. 131 Figura 101. Formación del equipo AVORA ..................................................................... 134 Figura 102. AUV AVORA ................................................................................................ 134 Figura 103. Equipos y vehículos SAUC-Ee12 .................................................................. 136 Figura 104. AVORA en las instalaciones del CMRE ....................................................... 137 Figura 105. Primer día de trabajo de AVORA en el CMRE ............................................. 138 Figura 106. Pruebas de sonar y visión en modo ROV ...................................................... 138 Figura 107. Premio obtenido en SAUC-e ......................................................................... 139 Figura 108. Conexionado fase de descarga ....................................................................... 141 Figura 109. Conexionado fase de carga ............................................................................ 143 SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO VII ACRÓNIMOS AUV Autonomous Underwater Vehicle ASV Autonomous Surface Vehicle AOI Inspección Óptica Automática BESS Battery Energy Storage System BMS Battery Management System CAD Computer Aided Design CMRE Centre for Maritime Research & Experimentation EV Electric Vehicle FULP Fundación Universitaria de Las Palmas IA Inteligencia Artificial IUMA Instituto Universitario de Microelectrónica Aplica LCROV Low Cost Robotic Operation Vehicle NURC NATO Underwater Research Center PCB Printed Circuit Board PFC Proyecto fin de carrera PHEV Plug-in Electric Hybrid Vehicle PLOCAN Plataforma Oceánica de Canarias ROV Robotic Operation Vehicle S.A.I. Uninterruptible Power Supply SAUC-e Student Autonomous Underwater Challenge Europe SFP Servicio de Fabricación y Prototipado de circuitos impresos SMD Surface Mount Device UAV Unmanned Aerial Vehicle UGV Unmanned Ground Vehicle ULPGC Universidad de Las Palmas de Gran Canaria UUUV Unmanned Untethered Underwater Vehicle UUV Unmanned Underwater Vehicle UV Unmanned Vehicle SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO VIII SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO IX RESUMEN Este documento, Proyecto Fin de Carrera, detalla el diseño, creación y desarrollo de un vehículo submarino, en concreto, un vehículo autónomo, AUV (Autonomous Underwater Vehicle); centrándose en sus componentes electrónicos y en especial en el sistema de gestión de baterías BMS y el circuito de corte de potencia. El proyecto surge gracias a la Plataforma Oceánica de Canarias, PLOCAN, que gestiona, dinamiza y patrocina el proyecto con la colaboración de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, ULPGC, en el marco de Campus de Excelencia Internacional y la Fundación Universitaria de Las Palmas, FULP. El objetivo global del proyecto es hacer que, agrupando los conocimientos de PLOCAN y los de las diversas facultades de Ingeniería de la ULPGC junto a sus institutos de investigación se cree un AUV para participar en la competición Student Autonomous Underwater Challenge Europe, SAUC-e, en el año 2012. SAUC-e es una competición universitaria de vehículos autónomos submarinos, AUV’s. Esta competición comenzó en 2006 en Reino Unido, posteriormente en 2008 se trasladó a Francia al IFREMER (Instituto Francés de Investigación para la explotación del Mar, siglas en Francés) en Issy-les-Moulineaux; y desde 2010 se lleva realizando en Italia, con sede en el NURC (Nato Underwater Research Center), actualmente denominado CMRE (Centre for Maritime Research & Experimentation), en La Spezia. La competición pretende conseguir que algunos de los futuros ingenieros se interesen por el medio marino para desarrollar tecnología capaz de estudiar este entorno; por esto plantea una competición en la que equipos universitarios formados por un máximo de 10 integrantes sean capaces de construir un AUV que logre superar una serie de misiones. El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera por un lado es conseguir diseñar y fabricar un AUV, centrándonos en la parte electrónica del AUV, y por otro implementar el diseño, fabricación, montaje y verificación del Sistema de Gestión de Baterías, BMS. Respecto a la parte electrónica del vehículo no sólo nos centraremos en cómo realizar el conexionado, sino también en implementar aquellos circuitos impresos que nos sean necesarios, como: preamplificador para hidrófonos, convertidores de tensión, corriente o puertos, circuito de corte de potencia, etc. Se ha de planificar y esquematizar un conexionado compacto, pues el espacio que nos ocupa la electrónica está limitado. El vehículo dispone de hidrófonos para detectar el SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO X seguimiento de un vehículo de superficie, ASV; y para obtener una señal que pueda ser procesada, se ha de diseñar un circuito preamplificador. Por otro lado, algunos de los elementos equipados requieren de alimentación negativa para operar, por ello se ha de realizar un convertidor de corriente continua negativa. También se necesita crear un convertidor de nivel para operar entre TTL y puerto serie RS-232, y realizar la comunicación entre la unidad de control y las controladoras de propulsores. Respecto al circuito de corte de potencia, su complejidad radica en la tensión y corriente que debe soportar el interruptor, pues debe ser de pequeño tamaño y soportar una tensión y voltaje elevados. Su utilización es básica para proporcionar seguridad, cortando el suministro de alimentación a los motores si estos se descontrolan y también permite que un buzo pueda operar con el AUV sin riesgos personales. El BMS es el circuito encargado de garantizar que las celdas de la batería se mantengan dentro de sus límites de tensión, corriente y temperatura en el proceso de la carga y descarga. Es de vital importancia cuando se dispone de una batería constituida por celdas individuales pues, una descompensación a la hora de cargar o descargar una de ellas podría provocar que se estropeara, quedando inservible ésta y por tanto también el pack porque dejaría de cumplir con las especificaciones técnicas para las que fue diseñado. SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO XI ABSTRACT The present document is a Final Degree Project that outline the design, creation and development of a sub-marine vehicle specifically an autonomous vehicle, AUV (Autonomous Underwater Vehicle); focusing on electronics devices and especially in the battery management system, BMS and power cut off circuit. The project emerges through the Canary Islands Oceanic Platform, PLOCAN, managing, stimulating and sponsoring the project in collaboration with the University of Las Palmas de Gran Canaria, ULPGC under Campus of International Excellence and the University Foundation of Las Palmas, and the Foundation University of Las Palmas, FULP. The overall project objective is combining PLOCAN’s and other Engineering faculties knowledge to create one AUV to take part in Student Autonomous Underwater Challenge Europe competition, SAUC-e, in 2012. SUAC-e is a university competition of Autonomous Underwater Vehicle, AUV’s. This competition began in 2006 in the UK been moved in 2008 to IFREMER (French Research Institute for Exploitation of the Sea, acronym in French) in Issy-les-Moulineaux; since 2010 it has been settle in Italy, in the NURC (Nato Underwater Research Center), now called RSMC (Centre for Maritime Research & Experimentation) in La Spezia. The competition aims to get some of the future engineers interested in the marine environment to develop technology capable of studying this environment, where teams are establish by 10 college students maximun aiming to create an AUV capable of overcoming a series of missions. The purpose of the Final Degree Project presented is designing, creating and developing all the electronics of the AUV, focusing especially on the BMS. Regarding the electronics of the vehicle will not only focus on how to make the connection but also implement those printed circuits that as needed, such as hydrophone preamplifier, voltage converters, current or port, power cut off circuit, etc. The wiring must be planned and schematize compact and robust way according the narrow space where is going to be settle. The vehicle is equipped with hydrophones that allowed to detect an Autonomous Surface Vehicle, ASV; to obtain a signal that can be processed to design a preamp circuit. According to negative power needed the elements required a negative DC converter. Furthermore it is also needed to create a level converter to operate between TTL SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO XII and RS-232 serial port to settle communication between the control unit and controllers thrusters. Power cut off circuit complexity lies in the voltage and current that must be withstood by the switch. To maximize safety, supposing the vehicle loses control, the circuit will disconnect the power thrusters allowing the diver to recover the vehicle without any personal risk. The BMS is the circuit responsible for ensuring that the battery pack cells are kept within the limits of voltage, amperage and temperature in the process of loading and unloading. It is vital when you have a battery made of individual cells, a decompensation while loading or unloading could cause any damage, unusable leaving an individual cell and therefore also all battery pack because it does not comply with the technical specifications for which was designed. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 13 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Desde tiempos remotos, el ser humano se ha interesado por las tareas de observación y exploración oceánica, que se inician con el estudio sobre las olas, corrientes y las mareas. A finales del siglo XVIII surgen los primeros estudios sobre corrientes marinas documentados por James Rennell. En 1849 aparecen informes sobre lo que se escondía más allá de las plataformas continentales, hecho que se materializó en 1855 por Matthew Fontine Maury en la publicación del primer libro de oceanografía titulado Physical Geography of the Sea. El estudio de los océanos es especialmente complejo y sólo en las últimas décadas hemos comenzado a sumergirnos en sus profundidades, debido a los avances tecnológicos impulsados por el interés científico, destacando al célebre JacquesYves Cousteau. Una de sus mayores aportaciones junto con Emile Gagnan fue en 1943, desarrollando el aqua-lung, primer prototipo de sistema de buceo autónomo, ello fue un gran avance para el estudio marino, pues dotaba al submarinista de libertad, ya que no necesitaba un tubo para el suministro de aire desde la superficie. A él se unen otros muchos investigadores e ingenieros que han participado en tareas de inspección oceánica desde diferentes enfoques, como diseño de torpedos, inmersiones con batiscafos, desarrollo de submarinos y sumergibles civiles o militares, etc., pero actualmente sigue siendo de especial dificultad el estudio de las profundidades marinas. Debido a la adaptación de las tecnologías para la exploración oceanográfica, surge la Ingeniería Marina, que trata del análisis, diseño y la planificación operativa de los sistemas que desarrollan su labor en el entorno marino. Desde entonces se ha avanzado mucho tecnológicamente y se ha suscitado una gran preocupación por la biología marina. Figura 1. Jacques-Yves Cousteau como anuncio del AQUA-LUNG CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 14 No es de extrañar, por tanto, que el estudio de la oceanografía se divida en múltiples campos como estudios climáticos, geología marina, topografía marina, investigación física y química, desarrollo y aprovechamiento de energías renovables, control de contaminantes, aplicaciones con fines militares, etc. La forma tradicional de recogida de datos de este medio, es mediante campañas con buques oceanográficos, acción que resulta altamente costosa. Esto requiere un cambio, de ahí que nos encontremos ante una disciplina con un amplio margen de innovación para hacer frente a diversos y complejos problemas: autonomía, localización y navegación mediante cálculos de hidrodinámica, dificultades para la comunicación submarina, estructura física y durabilidad de los materiales bajo las adversas condiciones del medio acuático, etc. Todas estas complejidades han llevado a la Ingeniería Marina a apoyarse en otras ingenierías como son la Naval, Telecomunicaciones e Informática para conseguir llevar a cabo la exploración del medio marino reduciendo sus costes. La exploración oceanográfica se ha basado en el diseño de vehículos, hecho que no es en absoluto trivial, e incluye una tipología de sistemas muy heterogénea. Los primeros vehículos usados eran tripulados como los batiscafos, conectados mediante un cable umbilical a buques en superficie pero pronto fueron surgiendo alternativas en forma de vehículos no tripulados y autónomos. Uno de los primeros sistemas de exploración oceanográfico de esta opción lo constituyen las boyas oceanográficas, desarrollada en 1935 por los investigadores del Coastal and Geodetic Survey, dotándola de telemetría autónoma por radio. Las boyas permiten medir la meteorología en la superficie desde temperaturas del agua y viento, velocidad y dirección del viento, salinidad, etc. Hoy en día se usan para la monitorización de fenómenos meteorológicos en zonas puntuales, ejemplo destacado son las boyas perfiladoras de la red de muestreo global ARGO [1]. El principal problema de estas boyas es su cobertura de exploración, por ello se ha evolucionado hacia sistemas submarinos móviles no tripulados conocidos como Unmanned Underwater Vehicle, UUV. Este tipo de vehículos requiere un sistema de navegación Figura 2. Ciencias en las que se apoya la Ingeniería Marina CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 15 autónomo bastante complejo, lo cual motiva la apuesta por el control remoto desde buques oceanográficos en superficie. Se trata de los denominados Remote Operated Vehicle, ROV, vehículos conectados al buque mediante un cable umbilical a través del cual reciben los comandos de control remoto del piloto y envían información sensorial del entorno. Gracias a la evolución de la Inteligencia Artificial, IA1 [2] y a los avances en las arquitecturas de control de sistemas robóticos móviles, se empezaron a plantear diseños que pudieran operar autónomamente. Esto permitió cortar el umbilical que unía al ROV a los mandos del piloto que se encontraba en superficie, y aparecerán en escena los Autonomous Underwater Vehicles, AUV. Los primeros prototipos eran parte de proyectos de investigación como el Sea Grant’s AUV Lab del Massachusetts Institute of Technology, MIT, a lo largo de la década de 1970, si bien el primer AUV propiamente dicho data de finales de la década de 1950, fruto del desarrollo de Stan Murphy, Bob Francis y Terry Ewart, conocido como Self Propelled Underwater Research Vehicle, SPURV [3]. Desde entonces se han desarrollado gran variedad de AUVs, pudiéndose establecer toda una tipología en función de la misión para la que estén diseñados. Con la evolución de los sistemas submarinos vienen ligados sus componentes tanto electrónicos como estructurales, en función de la exploración a realizar las condiciones varían y sus estructuras con ellos. Un aspecto muy importarte de estos vehículos es su autonomía, con ello sus baterías y sus sistemas de gestión, BMS. Una buena elección de la tipología de las baterías existentes en el mercado junto con su BMS, permiten dotar de mayor o menor autonomía a nuestros AUV. 1.1. Objetivo del proyecto En esta andadura lo que se pretende es que el equipo AVORA [4] partiendo de cero consiga crear un vehículo submarino cuyo objetivo prioritario es llegar a la competición SAUC-e 2012 y pasar las diferentes pruebas. Para ello, hay que estructurar los diversos procesos a realizar y quién los llevará a cabo, aclarando que todos los miembros de AVORA deben comprender en mayor o menor medida los entresijos del proyecto global al que se enfrentan. 1 Inteligencia Artificial, IA. Es un área multidisciplinar que a través de ciencias, tales como la informática, la lógica y la filosofía, estudia la creación y diseño de entidades capaces de razonar por sí mismas utilizando como paradigma la inteligencia humana. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 22 A su vez si se desean conocer los resultados obtenidos tanto en la competición SAUC-e como si el prototipo de BMS funciona correctamente le remitimos al Capítulo 4. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 23 2.1. SAUC-e SUAC-e [6] es una competición universitaria de vehículos autónomos submarinos. Esta competición comenzó su andadura en 2006 en Reino Unido, posteriormente en 2008 se traslado a Francia al IFREMER (Instituto Francés de Investigación para la explotación del Mar, siglas en Francés) en Issy-les-Moulineaux; y desde 2010 se lleva realizando en Italia, con sede en el NURC (NATO Underwater Research Center), actualmente denominado CMRE (Centre for Maritime Research & Experimentation), en La Spezia. La competición desafía a los futuros ingenieros para diseñar y construir un AUV capaz de realizar misiones reales, así se pretende fomentar el desarrollo e innovación de vehículos y sensórica submarina. En la figura 4 se puede ver en la parte superior la entrada de las instalaciones del CMRE y en la inferior una vista aérea de todo el completo, remarcada en negro. Figura 4. Entrada y vista aérea de las instalaciones del CMRE CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 24 2.1.1. Competición Durante el transcurso del año los equipos deberán ir documentando sus acciones, desarrollos y mejoras que pueden subir en redes sociales o páginas web; y se debe realizar un documento en el que se informe de todas las acciones realizadas, que se entregará a los miembros del jurado en una fecha anterior a la competición. En las instalaciones de la NATO, en La Spezie, la competición se realiza en la arena2, esta tiene unos 5 m de profundidad aproximadamente, con la casi inexistencia de corrientes y una visibilidad de 2 m. Antes de iniciarse la competición los AUVs deberán superar un test de verificación donde se comprueba por parte de los jueces que el sistema es robusto y que cumple con las normas impuestas. Este testeo inicial se realiza en unas piscinas de agua salada dispuestas por la organización, que además sirven para que los equipos hagan a su vez un test, los vehículos llegan a la competición desmontados casi en su totalidad. Para poder competir los equipos deben clasificarse, superando una prueba inicial de validación, posteriormente en función del número de pruebas superadas y de lograrlo de forma consecutiva o no, obtienen su clasificación final. El test de verificación consiste en revisar que el AUV disponga de un sistema de apagado de emergencia, dotarlo de flotabilidad positiva y luz estroboscópica. El objetivo de esto no es más que si el vehículo pierde el control en algún momento, dar seguridad a un buzo para que tras localizarlo gracias a la luz estroboscópica, accione el mecanismo de apagado y este emerja a la superficie por si sólo. Otra aportación de la flotabilidad positiva es dotar al AUV de test de errores para que si transcurrido un determinado tiempo para realizar una misión este no vuelva a superficie, desconecte la acción de los motores y emerja. Las pruebas a superar por los vehículos en 2012 fueron las siguientes, hay que indicar que actualmente han sufrido algún cambio pero siguen estas pautas: 1. Pasar a través de una puerta de validación realizada con dos boyas de tonos anaranjados ancladas al suelo, prueba clasificatoria para la final. 2. Buscar un objetivo desde media altura y girar alrededor de él. 3. Buscar un objetivo que está casi sumergido y hacer un círculo alrededor de él. 2 Arena. Zona de pantanal/marisma en las instalaciones del NURC donde los equipos deberán sumergir sus AUVs para superar las diversas pruebas que serán validadas por los jueces de la competición. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 25 4. Examinar un muro a una distancia de 2,4 m. 5. Seguimiento de un vehículo autónomo de superficie, ASV equipado con un pinger3 a 13 kHz, (10 ms longitud de pulso). 6. Detectar una zona delimitada por el ASV. 7. Prueba libre de impresionar al jurado: realizando una misión propia, muestra de sistemas o componentes del vehículo, etc. 2.1.2. Formación de los equipos y objetivos SAUC-e está destinada a universitarios, estudiantes de grado o máster y doctorandos para fomentar el desarrollo e innovación de vehículos y sensórica submarina. Los equipos participantes estarán constituidos por un máximo de diez componentes de los cuales el 75% han de ser universitarios y un 25% externo, permitiendo ir a la competición con el equipo a un supervisor. Los equipos competirán entre ellos, sin haber categorías ya sea de experiencia o de equipamiento; al igual que no es obligatorio que el equipo disponga de toda la sensórica necesaria para superar con éxito la totalidad de las pruebas. El objetivo de este evento es que futuros ingenieros vean un nuevo sector en este campo, servir de enlace intercultural entre los miembros de los equipos participantes, pues aunque es una competición, pretende que todos adquieran conocimientos e ideas de las universidades que llevan más tiempo participando en eventos similares o de sensores específicos que aporten algunos de los equipos, además de recibir charlas sobre la actualidad de la robótica submarina. 3 Pinger. Aparato emisor de ultrasonidos. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 26 2.2. Servicio de Fabricación de Prototipados del IUMA El Servicio de Fabricación de Prototipos de Circuitos Impresos y Sistemas Electrónicos, SFP, del IUMA, localizado en Tafira, Las Palmas de Gran Canaria, dispone de un moderno laboratorio que permite la fabricación en pocas horas de circuitos impresos de 2, hasta 8 capas, así como el montaje, soldadura y test de estos circuitos. El equipamiento empleado permite la obtención de los exigentes niveles de calidad que se requieren para el diseño electrónico actual. Pensado para la fabricación de prototipos y pequeñas series de circuitos impresos, además de incorporar la posibilidad de mecanización de materiales necesarios para el montaje de sistemas electromecánicos. 2.2.1. Equipamiento del laboratorio del SFP El laboratorio del SFP dispone de tecnología y equipamiento actual, muy similar al que disponen las empresas del sector pero a menor escala, pues la maquinaria para producir en serie es superior en volumen y rapidez. El servicio dispone de una línea de fabricación de circuitos impresos mediante fresado atacado químico; permitiendo dar un servicio de gran precisión y calidad en los acabados de las PCB’s. Tiene la posibilidad de fabricar fotolitos positivos y negativos utilizando película fotosensible con una resolución máxima de 8000 dpi4 sobre una superficie de trabajo de 370x340 mm. En cuanto al montaje de componentes SMD5 se fabrican máscara de soldadura (stencil), permitiendo esto, que la pasta de soldadura quede dosifica y uniforme sobre los pads, en cuanto a la hora del montaje de estos componentes 4 DPI. Dots Per Inch, siglas en ingles de lo que se conoce como puntos por pulgadas, unidad de medida para resoluciones de impresión. 5 SMD. Surface Mount Component, tecnología de montaje superficial más conocida como SMT (Surface Mount Technology). CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 27 se utiliza maquinaria tipo “pick-and-place”; se dispone tanto de equipos semiautomáticos como automáticos, pudiendo llegar hasta footprint6 0201. Concluido el proceso de fabricación y montaje se pasa a la revisión óptica de las soldaduras obtenidas y componentes mediante microscopio, máquina AOI o máquina de rayos-X. Con todo el equipamiento descrito es normal que se pueda dar un servicio de calidad como se dijo al comienzo. Aparte de lo descrito en la tabla 1, el laboratorio dispone de otros instrumentos como frecuencímetros, osciloscopios, estación de soldadura, tester y demás materiales básicos electrónicos para fabricación montaje y testeo. EQUIPAMIENTO LPKF 93S. Máquina fresadora y taladradora específica para operar con panales de circuitos impresos de gran tamaño y para la preparación de los panales para circuitos multicapa. Tiene un área de trabajo de 380x420mm, permitiendo realizar taladros de 0.3mm, pistas de 0.1mm y separación entre pistas de 0.1mm. LPKF ProtoMat C100HF. Máquina fresadora y taladradora ideal para trabajar con sustratos flexibles como stencil y para RF. Dispone de una superficie de trabajo de 200x340mm, con sistema de inspección óptico QuickView además de realizar taladros de 0.2mm, pistas de 0.1mm y separación entre pistas de 0.1mm. Burgard CCD/2. Máquina fresadora de control en los tres ejes X/Y/Z, ideal para trabajos adicionales de mecanizado de materiales como aluminio necesarios para el montaje de sistemas electromecánicos. Photoplotter FP-8000. Pequeño fotoploter ideal para usuarios que necesitan autonomía e alta calidad, para uso instantáneo y a bajo coste. El film, se fija al tambor rotativo y su diodo láser se mueve paso a paso dejando la huella extraída del fichero Gerber. 6 Footprint. Definición de la huella física del componente, donde se describe la forma física, patillaje, tipo de tecnología y dimensiones. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 28 LPKF Multipress II. Máquina de prensado para la realización de circuitos de 4 hasta 8 capas. Ejerce una presión de 15t y una temperatura de 210ºC controlado por microprocesador. Posee un área de prensa de 420x360mm permitiendo fabricar circuitos de hasta 305x254mm. LPKF MIiniContac II. Banco de metalización de taladros, dispone de control por microcontrolador y con capacidad de metalizar sustratos de 200x300mm. Unidad multipropósito PCB 500S. Unidad de procesado desarrollada para uso educativo e industrial. Dispone de 3 tanques, 2 zonas de lavado y 1 fregadero. Se utiliza para las distintas secuencias de atacado químico como por ejemplo eliminado de película fotosensible, lavado, eliminado de película dura, lavado, eliminado de pintura protectora de PCB. AZ-220. Insoladora con bomba de vacio diseñada para insolado a dos caras de materiales fotosensibles a la luz UV. Rota-Spray 1210. Grabadora por aspersión de pequeño tamaño y gran calidad, utilizado no sólo para atacado químico del cobre de las PCB’s sino también para lavado o revelado de fotolitos. Permite realizar circuitos impresos de 254x305mm en un tiempo de 90 segundos. Incorpora control digital de temperatura, tanque integral por aspersión, carcasa transparente. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 29 LPKF-ProtoPlace. Máquina semiautomática que permite trabajar con PCB’s de 400x300mm y colocar componentes hasta footprint 0201. Dispone de plato motorizado para almacenaje de componentes y alimentadores para bobinas. Gracias a su sistema neumático permite la colocación de los componentes. LPKF Zelplace BGA. Máquina semiautomática para el montaje de BGA, CSP, Flip Chip, componentes fine-pich y ultra fine-pitch. Dispone de alineación óptica con cámara CCD permitiendo colocar componentes desde 5x5mm. Philips CSM 84 III. Pick and place automática de última generación, dispone de 3 cabezales de alineamiento mecánico, con cámara para el correcto alineamiento de los componentes con precisión de micras de error y para detectar que el componente a montar es el correcto, de no serlo lo desecha. Permite acoplarlo a fabricación serie. El SFP dispone de otros modelos de pick-andplace pero destacamos esto porque son los más utilizados. Proto Flow S. Horno de refusión con microprocesador para programar diversos perfiles en función del tipo pasta de soldadura. Además de este horno se dispone de otro de ola de soldadura y otro para los procesos de fabricación de las PCB’s. Sony TW-TLS1. Microscopio digital para detectar fallos evidentes o de mal montaje de los componentes o soldaduras. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 30 AOI Omron RS2. Máquina de inspección óptica automática. Sistema basado en varios métodos de contrastes de luz RGB para detectar posibles errores de montaje y soldadura. Dispone de 3 métodos de revisión, Object Recognition, Blow Analysis y Template Matching with Normalized Gray Scale Correlation. MCT225. Máquina de Rayos-X que permite hacer inspección de BGA, BGA, placas multicapa e inspección de soldaduras y aparatos electrónicos. Tabla 1. Maquinaria del SFP 2.2.2. Proceso de Fabricación de PCB Como el laboratorio del SFP no se dedica a fabricación en serie si no de prototipos o fabricación de un número concreto de circuitos, no se puede seguir una metodología industrial pero no por ello se carece de proceso para diseñar, fabricar, montar y verificar sus circuitos impresos. Este hecho permite dar una máxima calidad a las PCB’s que se fabrican, siendo la única instalación en Canarias capaz de dar este tipo de servicio a las empresas que los necesiten con un trato personalizado. La metodología empleada en el SFP se muestra en la figura 5, donde se puede ver una primera fase software, posteriormente una fase hardware con el proceso de diseño y montaje de componentes y finalmente una fase de verificación, todo ello se explica con detalle a continuación. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 31 Figura 5. Flujo de Fabricación PCB en el SFP CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 38 categoría más común, desarrollada a partir de los vehículos eye ball, utilizados para inspecciones ya sea de estructuras o del trabajo de buzos.  Eléctricos de alta capacidad: aquellos ROV eléctricamente operados con una profundidad máxima operativa de 6.000 m. Han ido ganando popularidad y mercado gracias a su utilización en el ámbito militar y científico, debido a que son silenciosos y que las misiones a realizar no requieren de trabajo pesado.  Trabajo pesado: encargados de bajar hasta profundidades de 2.500 m con una potencia de 100 a 250 CV DIN. Utilizados para tareas de instalación submarina debido a su gran capacidad de carga y capacidad para levantar peso.  Gran profundidad: vehículos con consumo energético bajo y limitado debido a la necesidad de reducir el tamaño y grosor del umbilical, con capacidad de profundidad hasta 4.000 m. Utilizados en misiones de búsqueda y rescate en el fondo marino.  Remolcados: suelen operar remolcados en una embarcación, a una cierta profundidad y conectados mediante cables con propiedades electromecánicas capaces de soportar el arrastre del vehículo sin verse afectados por las condiciones marinas. Empleados para recolección de muestras, construcción de mapas topográficos, búsqueda y rescate. Existen un gran número de proyectos en esta línea, unos destinados a exploraciones científicas, otros a aplicaciones industriales, desarrollo militar y una última línea desarrollados por aficionados. Describimos a continuación algunos de ellos que hemos ido encontrando para el estudio del proyecto y que se han considerado interesantes: Liropus 2000 Es la contribución española a la flota de vehículos de la que dispone la oceanografía de la Unión Europea. Ha sido diseñado por la IEO, Instituto Español de Oceanografía, para realizar tareas de observación y recogida de muestras y datos hasta una profundidad de 2.000 metros, aunque puede llegar a los 3.000 m. Empleado en el proyecto INDEMARES y coordinado por la Fundación Biodiversidad, tiene como objetivo el estudio de 10 ecosistemas marinos como el cañón de Avilés, el banco de Galicia, los volcanes submarinos del golfo de Cádiz y algunas montañas submarinas de las islas Canarias. [14]. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 39 Scorpio ROV Sumergible para Ocean Craft Repair, Position, Inspection and Observation, es una marca de vehículos remotamente operados que se utilizan por las industrias submarinas como la del petróleo. Han ido evolucionando a partir del modelo principal el Scorpio 45 hasta llegar al modelo actual adaptado a las nuevas tecnologías el Super Scorpio. [15] [16]. Ramses ROV militar destinado a detección de minas, vigilancia de zonas portuarias, situaciones de emergencia submarina en aguas poco profundas. Se encuentra en la categoría de vehículos pequeños y de bajo coste, caracterizado por disponer de sistema de co-control para un fácil control y manejo, añadir que dispone de estructura esférica. [17]. 2.3.2. Vehículos Submarinos Autónomos AUV Los AUVs son la principal línea de investigación y en particular uno de los objetivos a realizar de este proyecto inicialmente. Existen una gran cantidad de proyectos sobre los AUVs, normalmente son pequeños vehículos dotados de sistemas de propulsión eléctrica, donde gran parte del volumen del submarino está ocupado por baterías que proporcionan la energía a los motores y el resto se destina a los sistemas de medición y navegación. Hoy en día podemos encontrar AUVs con diseños muy representativos, así como proyectos de investigación, workshop, concursos, etc., que cada año proponen nuevos avances. Pero aún hay bastante margen de mejora en el afán por conseguir sistemas que satisfagan por completo las demandas de los oceanógrafos de todo el mundo. Es mucha la información demandada y muy compleja el entorno de actuación, donde las diversas restricciones van desde los condicionantes físicos hasta el propio software del sistema embebido como son estructura e hidrometría del vehículo, equipamiento de comunicación, consumo energético, disipación de calor, localización, navegación, almacenamiento de muestras, etc. A continuación se comentan alguno de los diseños de AUVs más representativos a nivel mundial u organismos que se han considerado interesantes durante la búsqueda de información para este proyecto: CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 40 Bluefin Empresa fundada por un grupo de ingenieros que formaban parte del MIT AUV Laboratory, dedicada al desarrollo, construcción y operaciones de vehículos autónomos submarinos y tecnologías relacionadas para la defensa e industria de todo el mundo. Fabrica y diseña AUVs de pequeño tamaño capaces de realizar inmersiones a gran profundidad caracterizados por la modularidad de sus componentes. [18] Infante El vehículo sale del rediseño del AUV Marius que se desarrollo en el ámbito del proyecto MAST-II SOUV de la Unión Europea coordinado por el Instituto de Sistemas y Robótica de Lisboa. El Infante ha sido diseñado como herramienta para el estudio del clima de las aguas costeras. [19] El sistema de control proviene del Marius, sistema destacado por seguir una metodología de diseño basada en primitivas parametrizables; dichas primitivas se obtienen mediante la coordinación de tareas concurrentes, ejecutadas en función de los programas de la misión [20], sustentada en la teoría de las Redes de Petri7. Gargi El vehículo nace como ROV por la universidad de Girona, pero se ha transformado en AUV tras incorporarle un sistema de control basado en una arquitectura híbrida con aprendizajes por refuerzo y centrada en la coordinación híbrida de los diferentes comportamientos definidos en [21]. En Garbi se ha probado y estudiado diversas arquitecturas de control, destacando los esquemas motores, basados en campos potenciales para modelar el sistema de navegación [22]. AUVSI La Association for Unmanned Vehicle Systems Insternacional es una de las mayores organizaciones sin ánimo de lucro dedicada al avance de los sistemas no tripulados, promoviendo el desarrollo de sistemas y tecnologías relacionadas con el apoyo de organizaciones gubernamentales, industriales y académicas. [23]. 7 Red de Petri. Es una representación matemática o gráfica de un sistema de eventos discretos en el cual se puede describir la tipología de un sistema distribuido, paralelo o concurrente. Son una generalización de la teoría de autómatas que permite expresar un sistema a eventos concurrentes. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 41 2.3.3. Gliders Existe una tercera tipología denomina Gliders [24-26], son AUVs que mediante pequeños cambios de su flotabilidad y utilizando unas alas, permiten convertir el movimiento vertical en horizontal, obteniendo así un sistema de propulsión de muy bajo consumo, llegando a una profundidad de 1.000 a 1.500 metros. Gracias a esta característica presentan una gran mejora en cuanto a la duración en tiempo y distancia comparados con los tipo crucero y hovering; esta mejora les permite realizar misiones de mediciones con duraciones de meses y longitudes de miles de kilómetros. Los perfiles que traza un Glider tienen forma de diente de sierra debido a su mecanismo de propulsión, figura 9 parte superiores, a lo largo de los cuales realiza mediciones de parámetros físicos-químicos del agua. Cuando el Glider emerge es cuando se realiza la operación de envío de información tanto del vehículo al centro de control como a la inversa mediante comunicación GPS más IRIDIUM8, figura 9 parte inferior. Figura 9. Movimiento y control de un Glider Actualmente existen los siguientes modelos o clasificación de Gliders:  Slocum [27], Sea-Glider [28], Spray [29]: vehículos con forma de torpedo con alas, fabricado en fibra de carbono y que puede llegar hasta una 8 IRIDIUM. Son satélites de comunicaciones que orbitan la Tierra a baja altura, formando una red mundial de comunicaciones de voz y datos, asegurando una cobertura planetaria mediante un mínimo de 66 aparatos. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 42 profundidad máxima los tipo Spray de 1.500 metros, con movilidad tanto horizontal como vertical debido al movimiento en forma de dientes de sierra que realizan.  Modern Glider: engloban aquellos que no tienen estructura tipo torpedo como puede ser tipo planeador o que se impulsan sin un movimiento en forma de diente de sierra como puede ser gracias al movimiento de las olas. Dentro de esta categoría se añaden todos los glider que ofrecen algo distinto a los tradicionales. Como el Wave Glider [30]. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 43 2.4. Equipamiento de los UUV Entendemos por equipamiento todos aquellos elementos que lleve el vehículo como apoyo a la realización de la misión. Generalmente habrá un equipamiento físico y otro lógico, hecho que diferencia los dispositivos físicos de la información. Primero se definirá el equipamiento lógico que define el conjunto de datos que se manejan en misiones de exploración oceanográfica que son:  Batimetría. Información relativa a la profundidad del fondo oceánico para cada punto del mar. Se suele disponer de una rejilla de latitud y longitud con una resolución de muestreo. Existen fuentes que proporcionan batimetría gratuita de algunas zonas del mundo.  Meteorología. Información de fenómenos meteorológicos como el viento, la temperatura o la lluvia por ejemplo. Útiles para saber las condiciones a las que se va a enfrentar el vehículo y dotarlo de equipamiento físico capaz de soportarlos y llevar con éxito la misión.  Corrientes Marinas. Esta información es útil para que el vehículo navegue de forma correcta y llege a su destino; empleándose para realizar correcciones en las ecuaciones hidrodinámicas. [31] Indicar que este tipo de información viene en paquetes de datos muy grandes, por esto, se suele almacenar en ficheros con formato netCDF9, que ofrecen un almacenamiento binario vectorial de los diferentes parámetros de información que almacenen. En cuanto al equipamiento físico del que disponen los vehículos autónomos submarinos disponen de una tipología común y son elementos orientados a la realización de la misión. Como norma general se catalogan en tres grandes grupos: dispositivos sensoriales, dispositivos de actuación y dispositivos de comunicación. 9 NetCDF. Network Common Data Form, es un conjunto de bibliotecas de software que ayudan a la creación, acceso e intercambio de datos científicos; destinados especialmente a la investigación atmosférica. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 44 2.4.1. Dispositivos sensoriales Todo vehículo autónomo dispone de una serie de sensores destinados a un fin los cuales se nombran a continuación y se muestran en la tabla 2. SENSOR FINALIDAD Instrumentos de Navegación Navegación Sensores de Misión Misión Sensores Internos Sistema Interno Tabla 2. Sensores según su finalidad Como se ve en la tabla 2, se distinguen tres grupos de sensores y actuadores en función de su finalidad, entrando en profundidad sobre ellos diremos:  Navegación. Los sensores, se utilizan para determinar el posicionamiento.  Misión. Empleados para cumplir las tareas, en ocasiones realizan fines de navegación.  Sistema Interno. Empleados para detectar posibles problemas internos. En la tabla 3 se definen los elementos físicos para sensores que por norma general incorporan los AUV. SENSORES Instrumentos de Navegación GPS Brújula Giróscopo Profundímetro Sonar Sensores de Misión Termómetro CTD IOPS Sensores Internos Baterías Termómetro interno Sensores de Estanqueidad Profundímetro Tabla 3.Elementos físico empleados como sensores Instrumentos de Navegación  GPS. Global Position System, dispositivo que proporciona información sobre la posición global y la hora. Su utilidad es determinar la posición del vehículo para facilitar la navegación. Adicionalmente se puede corregir los CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 45 datos de posicionamiento del GPS con un DGPS, Defferencial GPS, al cual nos podremos conectar sobre TCP/IP o como servidores a través de Internet.  Brújula. Dispositivo electrónico con inclinómetro. Empleada para determinar el rumbo y corregir las aceleraciones obtenidas con el giróscopo. Normalmente la brújula dispone de magnetrómetro y termómetro interno.  Giróscopo. También denominado IMU, Inertial Movement Unit, normalmente vertical y con 2 DOF (pan/guiñada y roll/balanceo), permite determinar las aceleraciones angulares. Usado para controlar la orientación del vehículo en los 3 ejes de revolución del espacio.  Profundímetro. Dispositivo que determina la profundidad a partir de la presión de la columna de agua que hay sobre el vehículo, proporcionando la componente z, altitud.  Sonar. Se utilizará para la detección de obstáculos, permitiendo corregir el waypoint a alcanzar o para implementar un mapa del entorno donde está el AUV en función de su barrido vertical u horizontal. Sensores de Misión  Termómetro. Empleado para medir la temperatura del entorno.  CTD. Conductivity, Temperature, Depth, dispositivo empleado para obtener muestras de salinidad-conductividad, temperatura y profundidad.  IOPS. Inherent Optical Properties Sensor, elemento utilizado para medir las propiedades inherentes ópticas del entorno, en misiones de contaminación o biología submarina. Sensores Internos  Baterías. Determinar el consumo de los elementos instalados en el vehículo y en función de ello dotarlas para la cantidad de amperios-hora que necesitamos. Además se dispondrá como mínimo de dos pack de baterías uno para la parte de potencia (propulsión) y otro para la electrónica.  Termómetro. Empleado para medir la temperatura interior del AUV, ya sea de la propia estructura o de algún elemento en concreto así evitar daños. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 46  Sensor de estanqueidad. Sensor empleado para detectar posibles vías de agua o humedades. En el caso de que ocurriese se correría un grave riesgo y por ello se debería abortar la misión y hacer que emerja el vehículo.  Profundímetro. Colocado internamente se emplea para detectar la profundidad del AUV para no superar la presión máxima soportable por la estructura. 2.4.2. Dispositivos de actuación Al igual que ocurre con los sensores, se disponen de actuadores para determinadas finalidades como se observa de forma resuma en la tabla 4 y se explica a continuación: ACTUADOR FINALIDAD Sistema de Impulsión Navegación Actuadores de Misión Misión Actuadores Internos Sistema Interno Tabla 4. Actuadores según su finalidad  Navegación. Empleados para conseguir llegar al siguiente waypoint, punto de paso.  Misión. Los actuadores para este fin no son muy empleados como norma general, son empleados de forma puntual y su control se realiza con el software de control de los mismos desacoplado del sistema del vehículo.  Sistema Interno. Encargados de realizar tareas internas, como puede ser el sistema de evacuación de agua. En la tabla 5 se muestra de forma resumida los elementos físicos empleados como actuadores, los cuales serán detallados seguidamente. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 47 ACTUADORES Sistema de Impulsión Propulsores Superficies de control Actuadores de Misión Dispositivos prensiles Actuadores Internos Tabla 5. Elementos físicos empleados como actuadores Sistema de Impulsión  Propulsores. La tarjeta de control con sus motores permitirán la navegación del vehículo. El sistema de impulsión define el tipo de motores y su ubicación, determinando las entradas que éstos deben recibir.  Superficie de control. Se definen aquí las aletas, alerones, timón de cola, etc, que proporcionan al AUV la posibilidad de navegar cambiando de rumbo u orientación. Actuadores de Misión  Dispositivos prensiles. Engloban todas aquellas herramientas que posibilitan recoger o interactuar con el medio para cumplir la misión, ejemplo de ello son brazos robóticos, pinzas, recipientes para recolección de muestras, etc. Actuadores Internos  De forma general no hay actuadores internos, pues se suele aplicar comportamientos para ello sin llegar a la necesidad de incluir actuadores. 2.4.3. Dispositivos de comunicación En este apartado nos centramos en describir los elementos físicos destinados a las comunicaciones del AUV.  Ethernet. Tarjeta de red Ethernet para comunicación en tierra. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 54 2.5.4. Parámetros teóricos El voltaje teórico y capacidad de una celda, se encuentran en función de los materiales de ánodo y cátodo. Cuando una reacción ocurre, hay una disminución en la energía libre del sistema, denominado liberación de energía, que es expresada como: (2.1) F = constante de Faraday (≈ 96,5 C o 26,8 Ah) n = número de electrones involucrados en la reacción estequiometria. E0 = potencial estándar, V. El voltaje teórico o potencia estándar de una celda es determinado por el material activo contenido en la celda. Puede ser calculado desde datos, de la liberación de energía producida u obtenida experimentalmente. La capacidad teórica, Culómbica, de una celda es determinada por la cantidad de material activo de dicha celda. Esto se expresa como la cantidad total de energía eléctrica, involucrada en la reacción electroquímica y es definida en términos de culombios o amperios/hora. La capacidad amperio/hora de una batería está directamente asociada con la cantidad de energía eléctrica obtenida de los materiales activos. Teóricamente, un gramo de peso de material entregará 96,487 C o 26,8 Ah. La capacidad de una celda, puede ser considerada en base a la energía, energía teórica. Este valor es el máximo que puede ser entregado por un sistema específico electroquímico: (2.2) 2.5.5. Parámetros característicos Será necesario conocer las diversas magnitudes fundamentales que caracterizan una celda, pues el correcto entendimiento de ellos, nos proporcionará saber el campo de aplicación de la batería. Las magnitudes más representativas son:  Capacidad, Q. Indica la cantidad de electricidad que puede almacenar una celda, en términos técnicos, proporciona el número de electrones que CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 55 circulan por el circuito externo. La capacidad se expresa tanto en culombios como en amperios/hora. Para obtenerlo está la siguiente expresión: (2.3) n = número de electrones transferidos por cada mol z = número de moles de la especie activa que participa en la reacción F = constante de Faraday (96.487 C/mol o 26.800 mAh/mol)  Estado de carga, SOC. Describe la cantidad residual de carga que puede restituir la batería en relación a la cantidad nominal que puede almacenar. El SOC se expresa en porcentaje y es del 100% cuando la batería está cargada al máximo. Figura 12. Ejemplo de gráfica SOC  Profundidad de descarga, DOD. Relación entre la capacidad en Ah entregada por una batería durante su descarga y la capacidad nominal de la misma. El DOD se expresa en porcentajes y es el contrario al SOC.  Máxima corriente de descarga continua. Máxima corriente que la batería puede descargar de forma continuada. Este límite lo proporciona el fabricante para evitar la posible reducción de la capacidad de la celda.  Máxima corriente en intervalos. Corriente máxima a la que la batería puede ser descargada en intervalos de tiempo, ≈10 ms, límite que viene estipulado por el fabricante. Su valor suele ser superior al parámetro anterior.  Vida media. Representa el número de ciclos carga/descarga a los que puede ser sometida la celda antes de que la capacidad, energía u otros parámetros decaigan significativamente. Es un parámetro que se determina experimentalmente. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 56 2.5.6. Estandarización La estandarización de las baterías empezó en 1912, cuando la Sociedad Americana Electroquímica recomendó métodos de estandarización y testeo de las celdas primarias. Esto llevó a la primera publicación nacional en 1919, emitido como un apéndice a la circular de Oficina Nacional de Estándares, National Bureau Standar. Así mismo, evolucionó al Instituto Nacional Americano de Estándares, ANSI. Desde entonces, otras sociedades profesionales, han desarrollado los estándares relativos a las baterías. En esta documentación se especifican datos estándares y condiciones para las baterías como son valores, tamaños, voltajes y terminales. Debido a que utilizaremos baterías recargables, centraremos la estandarización en ellas. El comienzo de las baterías recargables fue principalmente con baterías grandes, baterías de plomo-ácido para fabricantes de automoción; de ahí que los estándares fueron desarrollados por la Sociedad para Ingeniería de Automóvil, SEA, el consejo Internacional de Baterías, BCI, y la Asociación de Baterías de Almacenamiento de Japón. Más recientemente, las baterías recargables han sido desarrolladas para aplicaciones portátiles, con reducido tamaño y similares a las baterías primarias. Entre los muchos estándares que podemos encontrar destacamos el correspondiente a los terminales, figura 13; a la capacidad de las baterías bajo una serie de parámetros como son temperatura, velocidad de descarga, ciclos de trabajo, etc, ejemplo de ello la figura 14; formato de etiquetado que debe llevar la batería, figura 15, se pueden ver los estándares de batería ANSI y las referencias cruzadas para las publicaciones internacionales estándar para baterías en la figura 16; y finalizamos con los estándares de seguridad en cuanto a manipulación y transporte de baterías, figura 17 y 18 respectivamente. Figura 13. Normativa sobre terminales CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 57 Figura 14. Ejemplo de test normalizado de capacidad de batería Figura 15. Estándar sobre etiquetado de batería Figura 16. Referencias cruzadas ANSI/IEC CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 58 Figura 17. Correcta manipulación de baterías Figura 18. Normativa sobre trasporte de baterías CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 59 2.6. Baterías Secundarias Las baterías secundarias [34]-[36] se llevan empleando desde hace más de 100 años. En 1859, Plante desarrollo las baterías de Plomo-Ácido, posteriormente Edison en 1908 desarrolla las baterías alcalinas de Níquel-Cadmio. Un año después debido al desarrollo de la industria pesada, aparece la batería de Níquel-Cadmio de bolsillo. El desarrollo de esta tipología de batería abrieron el mercado para utilizarse en los motores de arranque de los motores de aviones y aplicaciones de comunicaciones en la década de 1950 para seguir avanzando hacia aplicaciones portátiles con baterías de iones de litio que nos proporcionan densidades de energía específica elevadas entre otros muchos aspectos. En la tabla 6, definimos las principales características y aplicaciones de este tipo de baterías. Las aplicaciones de las baterías secundarias se dividen en dos categorías principales: a) utilización de dicha batería como batería primaria pero que se recarga tras utilizarla, b) empleadas como dispositivos de almacenamiento de energía, cargándose con una fuente primaria de energía y suministrando su energía a la carga cuando hay demanda. El desarrollo de este tipo de baterías se debe a su capacidad para recargarse, elevada densidad de potencia, elevado régimen de descarga, curva de descarga plana y buen funcionamiento a bajas temperaturas. Indicar que inicialmente presentaban la desventaja de que su densidad de energía era menor que las de las baterías primarias. Pero gracias a la tipología de litio esto ya no es un inconveniente, de ahí que esta tipología y sus combinaciones en función del material del cátodo sean las que ocupen nuestro estudio, para llegar finalmente a la decisión de emplear la tipología LiFePo4 y desarrollar nuestro BMS para ellas. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 60 SYSTEM CHARACTERISTIC APPLICATIONS Lead-acid: Popular, low-cost secondary battery, low specific-energy, highrate, and low-temperature performance; maintenance-free designs Automotive SLI, golf carts, lawn mowers, tractor, aircraft, marine, micro-hybrid vehicle Automotive Traction (motive power) Designed for deep 6-9 h discharge, cycling service Industrial trucks, materials handling, electric and hybrid electric vehicles, special types for submarine power Stationary Designed for standby float service, long life, VRLA designs Emergency power, utilities, telephone, UPS, load leveling, energy storage, emergency lighting Portable Sealed, maintenance-free, low cost, good float capability, moderate cycle life Portable tools, small appliances and devices, portable electronic equipment Nickel-cadmium: Good high-rate, low-temperature capability, flat voltage, excellent cycle life Aircraft batteries, industrial and emergency power applications, communication equipment Industrial and FNC Portable Sealed, maintenance-free, good high-rate, low-temperature performance, good cycle life Consumer electronics, portable tools, pagers, appliances photographic equipment, standby power, memory backup Nickel-metal hybride Sealed, maintenance-free, higher capacity than nickel-cadmium batteries, high energy density and power Consumer electronics and other portable applications, hybrid electric vehicle Nickel-iron Durable, rugged construction, long life, low-specific energy Materials handling, stationary applications, railroad cars Nickel-zinc High specific energy, very good high-rate capability, low cycle life, high cost Bicycles, scooters, consumer electronics such as power tools Silver-zinc High specific energy, very good high-rate capability, low cycle life, high Training targets, drones, submarines, other military equipment, launch vehicles and space power Silver-cadmium High specific energy, good charge retention, moderate cycle life, high cost Portable equipment requiring a lightweight, high-capacity battery, space satellities Nickel-hydrogen Long cycl life under shallow discharge, long life Primarily for aerospace applications such as LEO and GEO satellites Ambient-temperature rechargeable “primary” types (Zn/MnO2) Low cost, good capacity retention, sealed and maintenance-free, limited cycle life and rate capability Cylindrical cell applications, rechargeable replacement for zinc-carbon and alkaline primary batteries, consimer electronics (ambient-temperature systems) Lithium-ion High specific energy and energy density, long cycle life, highpower capability Portable and consumer electronics, HEVs, PHEVs), space applications, electrical energy storage Tabla 6. Características y aplicaciones de las baterías secundarias CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 61 Podríamos hacer esto muy extenso y describir todas las baterías secundarias explicando desde sus características generales hasta las curvas de carga/descarga, pero debido a que deseamos crear un BMS para la gestión de las baterías de un AUV, hemos descrito en apartados anteriores que la tipología empleada es de iones de litio, por este motivo nos centráremos específicamente en ellas. 2.6.1. Características generales baterías de Ion-Litio Las baterías de Ion-Litio, Li-ion, emplean compuestos de litio en los electrodos positivo y negativo. En el ciclo de carga o descarga, los iones de litio se insertan o se extraen desde el espacio intersticial entre las capas atómicas de los materiales activos. Además, es necesario que uno de los materiales activos de electrodo contenga litio en su composición inicial. Figura 19. Proceso electroquímico en una celda de Ion-Litio El material del electrodo positivo es típicamente un óxido de metal con una estructura en capas empleándose típicamente óxido de cobalto y litio, LiCoO2, también se emplean estructuras tipo túnel como óxido de manganeso y litio, LiMn2O, con corriente de CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 62 aluminio de colector. Respecto al material del electrodo negativo suele emplearse grafito de carbón, material en capas, con corriente de cobre de colector. Las primeras baterías comerciales de estas características, las lanzó al mercado la empresa Sony en 1991 y eran de óxido de cobalto y litio, LCO. Esta clase proporciona un buen rendimiento eléctrico, facilidad de construcción, buenas propiedades de seguridad e insensibilidad a las variaciones de temperatura. Las baterías secundarias de litio han seguido evolucionando y se han desarrollado con electrodos positivos de otros materiales como LiFePo4 (LFP), LiMn2O4 que ofrecen mayores ventajas de capacidad, estabilidad, vida útil y empleo en dispositivos. Como toda batería, ésta presenta desventajas y ventajas que las hace útiles para determinadas aplicaciones y no tanto para otras, las cuales se describen en la tabla 7. VENTAJAS DESVENTAJAS Ciclo de vida elevado Costes iniciales moderados Larga vida útil Degradación a altas temperaturas Celdas compactas y ligeras con recubrimiento de plástico aluminizado y sin necesidad de mantenimiento Necesidad de un circuito de protección Amplio rango operacional de temperatura Pérdida de capacidad y potencia tras una sobrecarga o sobredescarga Alta capacidad de carga rápida Posible escapes de material si se aplasta la celda Efecto de autodescarga baja Peligrosidad en el caso de cargarse a temperaturas bajas Sin efecto memoria Alta capacidad de potencia de descarga Alta capacidad culómbica y energía específica Amplia flexibilidad de materiales de diseño No contaminantes Tabla 7. Ventajas/Desventajas de las baterías Li-Ion Empezando por las desventajas diremos que estas baterías se degradan cuando se descargan por debajo de 2 V, a diferencia de la mayoría de las celdas químicas acuosas. Por lo tanto, deben disponer de circuitos de protección para desconectarlas antes de llegar a estos niveles de tensión. Otro inconveniente es que pueden perder capacidad de energía a temperaturas superiores a los 65 ºC, aunque a un ritmo más bajo que la mayoría de NiCd o NiMH, y puede llegar a ser peligrosas si se las carga rápidamente a temperaturas por debajo de los 0 ºC. Respecto a las ventajas indicar que ofrecen una tasa de autodescarga baja (entre el 2% y el 8 % por mes), gran cantidad de ciclos de vida (> 1000 ciclos), y un amplio rango CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 63 de temperatura de operación (para la carga de 0 a 45 ºC y para la descarga a -40 65 º C), lo que permite su uso en una amplia variedad de aplicaciones. Respecto a la alta energía específica, nos permiten dispones de hasta 240 Wh/Kg y de una densidad de energía hasta 640 Wh/L. Actualmente se disponen de celdas individuales que funcionan entre los 2,5 V y los 4,3 V, cosa que es aproximadamente tres veces la de las células de NiCd o NiMH. La combinación de estas cualidades dentro de un costo efectivo, paquete hermético ha permitido diversa aplicación de la tecnología. 2.6.2. Estructura de las baterías de Ion-Litio Existen varias estructuras de celdas de Li-Ion tipo cilíndricas, prisma o petaca. Su construcción es muy similares por ello sólo nos centraremos en describir las tipo cilíndricas, la cual se muestra en la figura 20. El electrodo positivo consiste en una lámina de aluminio recubierta con material activo, mientras que el electrodo negativo suele ser una lámina de cobre revestida con material activo típicamente grafito, ambos electrodos están separados de un polímero poroso. En los extremos de las células disponen de cabezales para poder realizar el conexionado entre los electrodos internos y el exterior de forma rápida y fácil. Actualmente incorporan uno o más dispositivos de desconexión que se activan por la temperatura o la presión, ventana de seguridad y PTC. En función del grosor del revestimiento del ánodo y cátodo este proporcionará unas capacidades mayores o menores. Figura 20. Corte transversal de una celda Li-Ion cilíndrica CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 70 La nomenclatura empleada para decir cómo está constituida una batería de celdas LiPo es XSYP, donde X se corresponde con el número de celdas en serie e Y con el número en paralelo de celdas. Ejemplo de esto sería 3S2P, batería con 2 baterías en paralelo donde cada una tiene 3 celdas. La construcción de estas celdas es similar a las de Li-Ion con la diferencia principal de que el electrolito empleado es un polímero de litio. El electrolito de polímero reemplaza el separador poroso tradicional, que se empapa con electrolito tradicionalmente en las baterías de Li-Ion. Este electrolito es ensamblado en un recipiente plástico que no conduce la electricidad, pero que permite el intercambio de iones. Las características de este batería la aporta el grosor del polímero, alcanza el milímetro, hecho que permite crear baterías con el espesor de una tarjeta de crédito. El inconveniente de este polímero sólido es que no puede ofrecer grandes capacidades de descarga además de aumentar su temperatura hasta casi los 60 ºC, siendo inviable para ciertas aplicaciones. Figura 28. Estructura interna celda LiPo Figura 29. Proceso de carga batería LiPo CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 71 En la figura 29, representamos el proceso de carga típico de una batería LiPo de 850 mAh de capacidad durante el proceso de carga CC/CV a 4,2 V, 1C; como era de esperar se ve la primera fase de carga rápida 80% y posteriormente la fase de mantenimiento, el procesos completo duro sobre las 4 horas. A continuación, figura 30, se representa el proceso de descarga CC a 3 V con diferentes valores de peticiones de C para la batería LiPo anteriormente descrita. Figura 30. Proceso de descarga batería LiPo 2.6.4 Resumen característico y elección baterías LI-Ion para AUV A continuación deberemos decidir qué tipología de baterías de litio se empleará, en función de la elección diseñaremos el BMS. Indicar que para la elección no sólo debe cumplir con los consumos de nuestro AUV sino contar con el problema de la estabilidad y seguridad de la clase de baterías de Li-Ion escogida. Esto último cobra tanta importancia como la potencia que necesitamos, pues el AUV será transportado por diversos medios y las baterías sufrirán variaciones de temperatura, presión y manejabilidad. En la tabla 9 se muestran las características que debemos tener en cuenta para decantarnos definitivamente por una de ellas, para que posteriormente se realice la implementación del BMS. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 72 Características LiCoO2 LiMo2O4 LiFePo4 LiPo Rango de Voltage 2,5 - 4,2 V 2,5 - 4,2 V 2,5 - 3,6 V 2,5 - 4,2 V Voltaje medio 3,7 V 3,7 V 3,3 V 3,7 V Energía Específica (Wh/Kg) 175 – 240 100 – 150 90 - 110 130 - 200 Densidad de Energía (Wh/L) 400 – 640 250 – 350 125 - 250 300 Rango de capacidad continua (C) 2 – 3  30 10 – 125  45 Rango de capacidad por pulsos (C) 5  100  250 90 Ciclo de vida al 100% DOD (C) 500+ 500+ 1000+ 1000+ Vida útil (Años)  5  5  5  5 Tasa de autodescarga (%/mes) 2 – 10 2 – 10 2 – 10 2 – 10 Rango de temperatura de carga (ºC) 0 - +45 0 - +45 0 - +45 0 - +45 Rango de temperatura de descarga (ºC) -20 - +60 -30 - +60 -30 - +70 -30 - +60 Efecto Memoria No No No No Densidad de Potencia (W/L) (pulse) ~2.000 ~10.000 ~10.000 ~10.000 Potencia Específica (W/Kg) (pulse) ~1.000 ~4.000 ~4.000 ~4.000 Seguridad Inestable Buena Muy Buena Buena Tolerancia a sobrecarga Muy Mala Muy Mala Mala Muy Mala Robustez a impactos Muy Mala Mala Media Mala Tabla 9. Características sobre las topologías de las baterías secundarias de Li-Ion CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 73 Observando los datos aportados podemos concluir que:  La tipología LiPo son las que mejores prestaciones aporta a vehículos eléctricos de competición, debido a que proporcionan el mayor voltaje por celda, junto a la mayor capacidad de descarga. Por el contrario, son las baterías más delicadas, además de necesitar un sistema de ecualización para su funcionamiento, pudiendo llegar a ser inseguras.  Las LiFePo4 proporcionan buenas prestaciones, no excelentes, para aplicaciones tipo herramientas como vehículos eléctricos, pero dando prioridad a la seguridad, al rendimiento y sobre todo a la durabilidad.  Respecto a las otras dos tipologías no son viables para vehículos electrónicos debido a su escasa capacidad de descarga, que es el objetivo que nos ocupa. Tras lo puntualizado, la tipología escogida para las baterías de nuestro AUV tanto para la parte de potencia como para la parte electrónica es tipo LiFePo4, pues cumplen con los requisitos en cuanto a prestaciones de carga y descarga además de proporcionar la mayor seguridad, rendimiento y durabilidad de todas las tipologías expuestas. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 74 2.7. Sistema de Gestión de Baterías, BMS Pretendemos hacer un estudio y definición del sistema de gestión de baterías, BMS, con el objetivo de comprender qué es, qué funciones realiza, cómo se clasifican, qué tipologías emplean, etc. Comprendido todo ello, en el Capítulo 3, se detallará todo el proceso empleado para obtener el circuito impreso junto con el análisis en la fase de descarga/carga, balanceo y quemado. A su vez se explicará el proceso de diseño detallado en el apartado 2.2 pero centrándose en este circuito, cuya complejidad es elevada ya que es a doble cara y con un elevado número de componentes. Esto permitirá comprender mejor el resto de circuitos impresos desarrollados, de las cuales sólo se describe su utilidad y funcionalidad. 2.7.1. Definición Battery Management System [38]-[40] es un sistema de gestión y control inteligente que permite realizar el proceso de descarga y carga de un par de celdas o batería de forma segura, a la vez que proporciona un alto rendimiento y larga vida de las celdas de litio. En ocasiones es conocido como Voltaje Management System, VMS o Protection Circuit Module, PCM. Las funciones que debe cumplir un BMS son las siguientes: 1. Monitorización de baterías. 2. Protección de baterías. 3. Estimación del estado de las celdas que forman la batería. 4. Maximización del rendimiento y funcionamiento de la batería. 5. Información a usuarios y/o dispositivos externos. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 75 2.7.2. Funciones Principales Anteriormente se puntualizaron las funciones principales del sistema de gestión de baterías y, a continuación, serán detalladas para que el lector tenga claro que acciones debe cumplir:  Evitar que la tensión de la celda supere el límite permitido, deteniendo la corriente de carga o solicitando la detención. Esto es un problema que ocurre con frecuencia en las baterías de litio.  Eludir que la corriente de carga de carga supere el límite solicitando que la corriente sea reducida o deteniéndola directamente; dicho límite varía con la tensión de la celda, temperatura y nivel de carga.  Rehuir que la temperatura de alguna celda o del pack supere una temperatura determinada. Las baterías de litio son propensas a este tipo de fugas térmicas.  Proteger la celda para que el voltaje no caiga por debajo de la tensión límite, deteniendo la corriente de carga o dando la orden de parada.  Evitar que la corriente de descarga sobrepase un límite, descrito en el punto anterior. A la hora de cargas y descargar baterías tipo Li-Ion es esencial emplear un BMS, para que en el instante que alguna celda alcance su máximo/mínimo voltaje o su capacidad, se produzca la desconexión del cargador. Por otro lado, en el proceso de descarga, cuando alguna celda alcance la tensión mínima de corte permitida, se ha de desconectar. Estos dos fenómenos los podemos visualizarlos de forma esquematizada en la figura 31 y figura 32 respectivamente. El proceso de balanceo en carga se realiza desactivando la carga de la celda más cargada hasta que el voltaje es suficientemente bajo para que el cargador vuelva a suministrar corriente. En la figura 31 se describe todo ello, a) cargando; b) la carga se detiene cuando la tensión alcanza el valor de corte superior; c) reinicio de la carga reducido el voltaje de la celda; d) repetición del proceso; e,f) pack de batería equilibrado, carga completa. Si nos refiriésemos al proceso inverso, figura 32, es idéntico pero se produce la desconexión cuando se llega al mínimo valor de la celda, descarga completa; a,b) descargando; c) la descarga se detiene cuando una celda llega a valor de corte inferior. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 76 Figura 31. Esquemático del balanceo en la carga de la batería Figura 32. Esquemático del balanceo en la descarga de la batería CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 77 2.7.3. Tipos de Sistemas de Gestión de Baterías A la hora de definir los tipos de BMS no hay una única clasificación debido a que se pueden catalogar según su tecnología, funcionalidad o topología. Tecnología A la hora de catalogar los BMS’s según esta categoría existen dos divisiones los BMS Analógicos y los BMS Digitales. La diferencia entre ellas radica en cómo se procesa la información de las celdas. Por tanto, aquellos BMS que procesan los valores de las celdas con circuitería analógica como comparadores analógicos, amplificadores, circuitos diferenciales, etc, pertenecerán al primer grupo dentro de esta categoría; en caso contrario, es decir, que gestionen los valores de las celdas de manera digital pertenecerán a la segunda categoría. En las figuras 33 y 34 puede verse un ejemplo de ambas tecnologías. Figura 33. Regulador analógico Figura 34. Medidor digital CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 78 Funcionalidad A la hora de clasificar los sistemas de gestión de baterías dentro de este apartado nos encontramos con varias tecnologías. A continuación describiremos aquellas que fueron estudiadas para este proyecto ordenándolas de menor a mayor complejidad a la vez que incluimos una comparativa de ellas en la tabla 10. Tabla 10. Clasificación y comparativa del BMS según funcionalidad  Cargadores de corriente constante y tensión constante, CCCV. Los CCCV’s son fuentes reguladas estándar, las cuales se usan para cargar baterías. Algunos usuarios las emplean como BMS, acción incorrecta debido a que solamente suministran alimentación a las celdas sin controlar como estas se cargan o sobrecargándolas con el deterioro o inutilización a la larga de las mismas. Los CCCV’s están limitados en dos tipos: A. CC: Desde el inicio de la carga, generan una corriente constante permitiendo que el voltaje del pack de celdas aumente a medida que se carga. B. CV: Cuando el pack está casi lleno y el voltaje alcanza una tensión constante, el cargador mantiene esta tensión y la corriente del pack decrece exponencialmente, la carga finaliza cuando la batería está completamente cargada. Figura 35. (a) Características cargador CCCV (b) Gráfica tensión/corriente CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 79  Reguladores Es una derivación colocada a través de la celda para desviar parte o toda la corriente de carga cuando la celda se encuentra totalmente cargada, llega a su máximo valor de carga, a partir del cual el regulador intenta mantener esta tensión. Los reguladores son económicos y simples de entender, hecho que los hace muy conocidos en el mundo de los aficionados, pero que por sí mismos no proporcionan protección a las celdas del pack. En la figura 36, se observa el diagrama de bloques de un regulador, indicar que se corresponde para celda tipo LiFePo4. En caso de trabajar con otra tipología de celda sólo tendríamos que regular a la tensión máxima de carga de esa celda. Figura 36. Estructura de un regulador (Celda tipo LiFePo4)  Medidores Son empleados por aficionados o investigadores para saber el estado individual de cada celda. Los medidores, monitorizan determinados parámetros de la celda sin realizar un control activo en los procesos de carga/descarga, de ahí que no sea suficiente para ejercer como BMS dado que no evitan la sobrecarga, sobredescarga, ni balanceado del pack. Como norma general nos informan de los siguientes aspectos: o Medir la tensión de cada celda principalmente, aunque pueden hacerlo de otros parámetros como la temperatura del pack. o Recopilación de datos. o Dar información del SOC. o Estará dotado de led o zumbador para informar de anomalías de la batería al usuario. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 86 Un BMS equilibrado puede ser pasivo (disipando la energía en forma de calor) o activo (la energía se transfiere entre las celdas). En la tabla 11, se puede ver un resumen y comparativa de los procesos de equilibrado. Sin un equilibrado, todas las celdas, o bloques de celdas en paralelo, en serie en un pack reciben la misma corriente y su profundidad de descarga, DOD, cambia exactamente en el mismo periodo. Existen tres modos de equilibrado: I. Desconectar aquella celda que está más cargada para que la celda con menor carga perciba más corriente durante el proceso de carga. II. Recircular parte de la corriente de carga de la celda más cargada para que la corriente de carga se transfiera a la celda con menor carga. III. Suministrar una corriente extra sólo a las celdas con menor carga.  Redistribución. Permite estudiar de que forma la capacidad de la celda puede ser empleada. Durante la descarga, la energía adicional se toma de las celdas con la mayor capacidad, así que las celdas con poca capacidad no suponen un factor limitador para la batería. Un efecto de esta acción es que el estado de la carga del pack siempre es el mismo, durante la descarga todas comienzan al 100% y todas finalizan al 0% del SOC. Ejemplo de ello, figura 46, se observan dos celdas, la capacidad de una de ellas supera un 20% su SOC mientras que la otra está un 20% por debajo. Sin redistribución, la capacidad del pack lo limitaría el valor de la celda de menor SOC y la batería se descargaría en 48 minutos; en cambio, si hay redistribución el exceso de energía es entregado para compensar la otra celda, así la batería tardaría en descargase por completo 60 minutos. En la tabla 12 se presenta una comparativa entre BMS no balanceado, balanceado, procedo de distribución en carga y redistribución. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 87 Figura 46. Proceso sin y con Distribución None Balancing Distributed Charging Redistribution Method N/A Passive Active Active Current Transferred None Low: 10mA to 1A Medium: 100mA to 10A High: 1A to 100A Battery Energy Utilized 0 - 90% ≈ 90% 100% Battery Capacity Reduced over time Minimum cell capacity Average cell capacity Pack SOC Unrelated to cell SOC SOC of cell with least capacity SOC of all cells Cells SOC All over the place At 100% all cell have same SOC All cell always at same SOC Duration N/A Top end: at end of charge. SOC history: may be at any time During charging Whenever in use Tabla 12. Comparativa procesos de balanceado y redistribución Evaluación A partir de los datos que el BMS puede obtener del pack de celdas, este puede estimar ciertos parámetros que informen del estado de la batería como:  Estado de carga, SOC, y profundidad de descarga, DOD.  Resistencia.  Capacidad.  Estado de saludo, SOH. CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 88 Normalmente un BMS digital puede llegar a implementar varias de estas funciones mientras que si el BMS es analógico no lo podría hacer. Si se desea que se implementasen todas, estaríamos tratando con un BMS digital sofisticado. Que el BMS sea capaz de estimar estas acciones no implica que se realice una protección de la batería, pero si proporciona información al usuario para que este realice las acciones de mantenimiento oportunas. Para controlar el SOC y el DOD por parte del usuario no hay un método directo a donde ir sino que se realiza por procesos indirectos. Para el caso del SOC por ejemplo, se puede saber mediante la translación de voltaje o la integración de la corriente, contador culómbico. En cuanto a la resistencia de las celdas, por sí misma, no es algo que el usuario quiere conocer constantemente pero gracias a ella, se puede hacer el cálculo del SOC y el SOH. Gracias a este parámetro, realizando la compensación IR de la tensión de la celda y obtener la tensión a circuito abierto, OCV, para estimar el SOC. En el caso de aumentar el valor de la resistencia de la celda nos proporcionará información del SOH del pack. La capacidad es medida observando cuánta carga sale del pack desde que se encuentra lleno hasta que se vació. Con este parámetro se obtendrá información del SOC y del SOH. En la figura 47, se muestra el estudio de capacidad de una celda LiFePo4. Si el parámetro que el BMS desea estimar del pack es el estado de salud de la batería, este lo puede obtener a partir del aumento de la resistencia de la celda respecto a su valor nominal o a través de la capacidad con respecto a su valor nominal. Comunicaciones El BMS puede comunicarse tanto él con el exterior, como el exterior con él. Cuando la comunicación es desde el BMS este puede solicitar al sistema que reduzca o detenga la corriente de la batería y dar datos del pack o de él mismo. Cuando la Figura 47. Estudio de capacidad celda LiFePo4 CAPÍTULO 2. ESTUDIO DEL ARTE 89 comunicación la recibe el BMS se corresponde con acciones de configuración del sistema y de informarle de datos de sensores externos. Por general, las comunicaciones se pueden dividir en dos: I. Conexión dedicada. Empleo de una conexión específica, la cual puede ser analógica o digital. II. Enlace de datos. Esta se puede realizar por salida digital mediante: RS232, bus CAN, Ethernet; enlace de radio por medio de Wifi o Bluetooh; como última opción existe el enlace óptico realizado por medio de Fibra óptica, Infrarrojos. Registro Es una función que gestiona de manera muy eficiente el registro de los datos, data logger. Un logger permite gravar los datos del sistema tanto del BMS como del resto de sensores y actuadores. En el caso del BMS el log puede contener los valores de los siguientes parámetros: o Tensión del pack. o Tensión máxima y mínima de las celdas. o Corriente de la batería. o Resistencia del pack. o SOC y SOH. o Límite de corriente de carga y de descarga, CCL y DCL. o Temperatura máxima de las celdas. o Aviso de errores. SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS Y ELÉCTRICO PARA VEHÍCULO SUBMARINO AUTÓNOMO CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 91 CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS Tras haber realizado el estudio del arte del equipamiento que requiere un vehículo autónomo submarino, es momento de detallar aquellos elementos que se solicitaron y se instalaron en nuestro vehículo. El empleo de los mismo se debe al interés del equipo AVORA por intentar superar la totalidad de las pruebas que se nos plantean en la competición; de ahí que aunque se dispongan de dispositivos de mayor calidad en el mercado se haya valorado un compromiso entre calidad/precio. Por tanto, se detallará el equipamiento del AUV de AVORA, explicando la necesidad de la utilización de cada dispositivo y añadiendo tablas comparativas. Algunos de los elementos físicos seleccionados para el AUV, requieren de conexión auxiliar para relacionarse con la unidad de control o para amplificar su señal y poder trabajar con ella. Ya que se dispone de las instalaciones del SFP, lo más rápido, cómodo y eficiente es diseñar un circuito impreso para ello. Los circuitos impresos implementados para este fin, serán descritos desde el punto de vista funcional y posteriormente mostrando sus esquemáticos y diseño físico tanto virtual como real. Para comprender los circuitos impresos que fueron diseñados para ello, que son un preamplificador para los hidrófonos, un convertidor de corriente continua negativa, un convertidor de nivel, circuito de corte de potencia y el sistema de gestión de baterías, presentamos en la figura 48 el diagrama de bloques de los componentes y conexionado electrónico de nuestro AUV. Como el circuito más complejo en cuanto diseño y componentes corresponde con el que nos ha hecho realizar este proyecto fin de carrera; a la hora de describir todos los CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 92 circuitos creados, hablaremos exclusivamente de la funcionalidad de los que dieron tiempo de fabricar e instalar para la competición. Centraremos toda nuestra atención en lo que respecta a diseño software, fabricación, montaje de componentes y verificación, al sistema de gestión de baterías. Figura 48. Diagrama de bloques de la electrónica del AUV de AVORA 3.1. Equipamiento AUV AVORA Tras haber realizado un desglose de los dispositivos sensoriales y actuadores básicos que constituyen por norma general un AUV, vamos a proceder a definir y explicar el equipamiento que dispone el vehículo diseñado por AVORA, englobándolos dentro de las categorías descritas en las secciones 2.4.1 y 2.4.2. Para que el lector tenga una visión global de los componentes escogidos y que dispone el vehículo junto con sus cantidades le remitimos a la tabla 13. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 93 COMPONENTES CANTIDAD Sensor Xsens XS-MTi-DK 1 Sensor Bendshort v2.0 Sensor Bendmini v2.0 1 1 Sonar Imagenex 852 Ultra-Miniature 1 Hydrofonos H2b Aquarian Audio 2 Logitech webcam C120 1 Green laser (20-30 mW) 1 MR 16 5W 5-LED7500K 4 Servo Futaba s3001 3 CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 94 Sensor de presión U5100 Serie Transducer 1 H-38120S LiFePo4 H-38140S LiFePo4 12 4 Acer Aspire One D270 1 Arduino Mega 2560 1 DUB-H7 port USB 2.0 Hub 1 DC-DC USB, Intelligent buck-boost DC-DC 3 Roboclaw 2x15 2 Seabotix BTD150 4 Y-PWR-b 2 CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 95 Conectores Buccaneer serie 900 9 Tabla 13. Equipamiento del AUV de AVORA Instrumentos de Navegación XS-MTi-DK. El sensor Xsens es un dispositivo de pequeño tamaño que contiene acelerómetro, giróscopo y magnetómetro en 3D, IMU. Al disponer de un dispositivo que contiene tres sensores en uno, el equipo ahorró costes, e implementación de drivers. Sensores Bendshort v2.0 y Bendmini v2.0. Al no disponer de un presupuesto elevado y con ello no optar a un DVL, el equipo ha empleado estos dos sensores para detectar la velocidad del vehículo. Estos dispositivos tienen una resistencia que aumenta según la deflexión y al ser bipolares, podemos saber aparte de la velocidad, el sentido de movimiento del vehículo. Sonar Imagenex 852 Ultra-Miniature. Sonar empleado por su pequeño tamaño, bajo coste y características. AVORA implementó el sonar con un servo para realizar tanto barrido horizontal como vertical, permitiendo detectar objetos y hacer mapeado del entorno. Sensores de Misión Hydrofono H2b Aquarian Audio. Elemento diseñado para trabajar con cualquier dispositivo de grabación con entrada de 3.5 mm. Se empleó para la detección del pinger que se debía seguir en la competición SAUC-e y optamos por este elemento y no otro debido a su bajo coste, bajo ruido interno, alta durabilidad, no necesidad de alimentación, entre otros aspectos. Dispone de un rango útil entre los 10 Hz y los 100 KHz y una respuesta polar omnidireccional en el eje horizontal. Logitech webcam C120. Se dotó al AUV de una cámara para la visualización del entorno submarino, detección de objetos y combinándola con el sonar para poder realizar una navegación más fácil. Se optó por este modelo debido al bajo coste, imagen de 1.3 mega píxeles y fácil conexión por medio de USB, aparte de aportarnos de fábrica drivers y software. Indicar que como había que hacerla estanco se eliminó su carcasa obteniendo unas dimensiones muy pequeñas. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 102 Figura 50. Diseño físico virtual 2D preamplicador para hidrófonos Figura 51. PCB preamplicador de hidrófonos 3.3. Convertidor de DCExiste la necesidad de alimentar con corriente continua negativa algunos elementos electrónicos de nuestro AUV, como es el caso del preamplicador de hidrófonos, para ello se ha de diseñar y fabricar un circuito que a partir del voltaje positivo haga la transformación. Está acción la realizamos con este circuito impreso, al que denominamos Converter_DC-, que nos permite trabajar con -12V a partir de 12V. Para ello empleamos el integrado NE555 al que habrá que añadir dos diodos para conseguir ciclos de trabajo inferiores al 50%, para obtener una señal de salida lo más continua posible a valor CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 103 negativo. A continuación se muestra el esquemático, diseño virtual 2D a simple cara y circuito impreso resultante en las figuras 54, 55 y 56 respectivamente. Figura 52. Esquemático Convertido_DCFigura 53. Diseño físico virtual 2D Convertidor_DCFigura 54. PCB Convertidor_DC- CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 104 3.4. Convertidor de Nivel A la hora de comunicarnos con los propulsores se hace a través de las controladoras. Cada controladora gestiona dos propulsores, uno de movimiento en el eje X y otro en el eje Y. El modo de trabajo que vamos a operar con las controladoras es serie, pero necesitamos compatibilidad TTL, por tanto se requiere de un circuito que nos haga dicha conversión de nivel de tensión. Por ello necesitamos el circuito convertidor de nivel para convertir de nivel serie a TTL y lo podemos lograr con la ayuda del circuito integrado MAX232. El MAX232 permite convertir las señales de un puerto serie RS-232 a señales compatibles con los niveles TTL de circuitos lógicos, haciendo de interfaz de transmisión y recepción para las señales RX, TX, CTS y RTS. El circuito integrado tiene salidas para manejar niveles de voltajes del RS-232 (aprox. ±7,5 V) que las produce a partir de un voltaje de alimentación de +5 V utilizando multiplicadores de voltaje internamente en el MX232 con la adición de condensadores externos. Esto es de mucha utilidad para la implementación de puertos serie RS-232 en dispositivos que tengan una alimentación simple de +5 V. Como cada controladora gestiona dos motores debemos duplicar la señal RX que las controla, dado que si queremos gobernar el movimiento del vehículo dicha señal debe ir a ambas. En la figura 57, se muestra el encapsulado DIP-16 que tiene el Max232 junto al patillaje. A continuación, figuras 58, 59 y 60 presentamos el esquemático del circuito convertidor de nivel, diseño virtual 2D a simple cara y resultado final de la PCB. Figura 55. DIP-16 y patillaje del integrado MAX232 CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 105 Figura 56. Esquemático Convertidor de Nivel Figura 57. Diseño físico virtual 2D Convertidor de Nivel Figura 58. PCB Convertidor de Nivel CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 106 3.5. Corte de Potencia Una de las normas de la competición es que el vehículo tiene que tener un sistema de parada de emergencia. Este sistema lo que proporciona es que tras accionarse se deja de suministrar energía a los motores, proporcionando seguridad en caso de un fallo eléctrico o recuperación por parte de un buzo del AUV. En un primer momento crear este circuito parecía obvio pero la complejidad radica en disponer de mecanismos tipo interruptores que soporten el amperaje y voltaje de los propulsores y que sus dimensiones sean reducidas. Para solucionar este problema y poder operar con interruptores de pequeño tamaño y con intensidades bajas, diseñamos un circuito impreso donde tenemos dos circuitos conectados por medio de un optoacoplador. Por un lado estará la señal de control procedente del Arduino que mediante un pulso de arranque nos permitirá saber el estado del interruptor, zeta, a la vez que activaba el optoacoplador y permitirá que el otro circuito, electrónica de potencia [42], suministre o no alimentación a los propulsores. El optoacoplador o aislador óptico empleado era el 4N35 en el que un diodo emisor de infrarrojos conduce un fototransistor. Estos se utilizan para dos circuitos sin ningún contacto óhmico. El primer circuito, circuito del Arduino o circuito eléctrico está conectado al diodo IR mientras que el otro circuito, circuito de potencia con el fototransistor; esto garantiza que no se produzcan daños en cualquiera de los circuitos, mientras que el otro tiene un fallo. En la parte del circuito de potencia se operó con transistores rectificadores de potencia mosfet tipo IRF3205, que nos permiten disminuir la resistencia; además se utilizaron fusibles rearmables modelo MF-R600 para evitar que un pico de tensión llegase al resto de componentes electrónicos y se estropeen. En las figuras 59,61 y 62 se muestra el esquemático, diseño virtual 2D a simple cara y resultado final de la PCB. En la figura 60, se observa una simulación del proceso cuando desde la etapa de control, Arduino, se envía un pulso de arranque, en el caso que la zeta este desactivada, el conjunto queda anclado y hay corriente en los motores; si la zeta se acciona se produce el corte de potencia y aunque se vuelve al estado inicial se ha de proceder con un nuevo pulso desde la unidad de control para realimentar al vehículo. Indicar que en la simulación se observa el pulso en color negro y la respuesta del circuito en color rojo. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 107 Figura 59. Esquemático Corte de Potencia Figura 60. Simulación Corte de Potencia Figura 61. Diseño físico virtual 2D Corte de Potencia CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 108 Figura 62. PCB Corte de Potencia 3.6. Sistema de gestión de baterías, BMS Comentada la tipología que se va a emplear para la batería del AUV, LiFePo4, ahora se necesita crear el sistema de gestión de baterías. El AUV dispone de dos packs de baterías de 6 celdas para la gestión de los propulsores, figura 63, y un tercer pack de 4 celdas para la electrónica. La capacidad de la batería de la electrónica en un principio se planteó idéntica y sobredimensionada, pero en el transcurso del proyecto del AUV se observó que no se necesitaba tanta capacidad sino 12,8 V, 10 Ah, (4S1P), acción que permitía ahorrar dinero al comprar menos celdas. Figura 63. Esquema suministro de potencia en Y a los propulsores Como se comentó en apartados anteriores debido al tiempo para llevar a cabo la creación del AUV desde cero para la competición, no se pudo desarrollar el BMS propio y se optó por comerciales. Este hecho fue lo que hizo que se desarrollara este proyecto como proyecto fin de carrera. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 109 Se ha creado un diseño de BMS cuya principal característica es la modularidad, es decir, que sea adaptable el número de celdas que requiere la batería para cumplir las prestaciones. Debido a que se requiere BMS’s para gestionar 6 y 4 celdas, y ambos diseños son idénticos pero con la diferencia de la cantidad de celdas del pack, la descripción del diseño del BMS se hará para la batería de mayor capacidad. El diseño será explicado según lo expuesto en el apartado 2.2. El proceso de diseño es asistido por ordenador, conocido por sus siglas en inglés, CAD. Una vez se realizado el esquemático y el diagrama de conexiones que formarán las pistas de cobre sobre la placa se obtienen los diversos planos que constituyen las placa impresa, máscaras de la PCB, y que se emplearán en las diversas máquinas de las que dispone el SFP como photoplotter, fresadores, etc., para pasar de una plancha de material rígido, fibra de vidrio o baquelita, cubierto de cobre por ambas caras a un circuito impreso. Para realizar un circuito electrónico, el diseñador requiere de documentación, hojas técnicas de fabricación y apoyo de herramientas computacionales que orienten en cuanto a las variables, parámetros y componentes se van a emplear, ejemplo de ellos se muestra en la tabla 16. Indicar que es recomendable la elaboración y simulación del esquemático antes de la elaboración de la PCB, el diseñador dispone de una amplia gama de posibilidades como Cadense, National Instruments, MicroSim Corporation, etc, nosotros empleamos el Altium Designer que permite hacer esto junto con las máscaras. Herramientas Computacionales Descripción SwitcherCAD BodeCAD FilterCAD Realiza esquemáticos, simulación, análisis en tiempo/frecuencia y diseño de filtros electrónicos SciLab Conjunto científico para realización de cálculos numéricos y análisis en tiempo/frecuencia (parecido a MatLab12) SAPWIN Esquemático y analizador de circuitos. Obteniéndose expresión matemático del circuito CircuitCalculator Calcula el ancho de pista, encuentra los valores de resistencias y condensadores comerciales Tabla 16. Herramientas computacionales 12 MatLab. Lenguaje de alto nivel y un entorno interactivo para el cálculo numérico y técnico, la visualización y la programación. Sus capacidades son cálculo numérico, análisis y visualización de datos, programación y desarrollo de algoritmos, desarrollo y distribución de aplicaciones. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 110 Además se debe tener en cuenta una serie de técnicas y consideraciones del diseño como son los efectos resistivos de las pistas, el efecto térmico, el efecto capacitivo e inductivo, entre otros.  Efectos resistivos de las pistas. Se debe tener consideraciones con las longitudes, grosor y corriente máxima que deben tener las pistas del circuito impreso, para evitar aumentos de resistencias no deseadas o causar problemas de caídas de tensión. En la ecuación se expresa como se calcula dicho efecto. (3.2) R = Resistencia eléctrica, [Ω]. ρ = Resistividad del material, [Ωm]. l = Longitud, [m]. A = Área transversal [m2].  Efecto térmico. Saber cómo ubicar los componentes respecto a la temperatura que crean o soportan en función de sus interconexiones, interferencias térmicas y electrónicas es importante para evitar variaciones en el valor de resistencia, dado que la resistividad del material se ve afectada por la temperatura. (3.3) α = Coeficiente de temperatura. ρ0 = Resistencia respecto de una temperatura de referencia. T = Temperatura. T0 = Temperatura de referencia.  Efecto capacitivo e inductivo. Para evitar estos efectos se deben distanciar los circuitos de potencia de los circuitos de control, sabiendo que la capacidad para placas paralelas viene dado por la ecuación 4.3. (3.4) ɛ0 = Constante dieléctrica en el vacío. ɛr = Constante dieléctrica o permitividad del material dieléctrico entre las placas. A= Área efectiva de las placas. d = Distancia entre las placas o espesor del dieléctrico. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 111  En circuitos de alta frecuencia, se recomienda que las pistas no presenten ángulos superiores a 45º, debido al riesgo de auto-inducciones sobre las pistas y con ello deformaciones de la señal.  Se debe separar los planos de tierra analógica y digital o utilizar acoplamientos, transformador, optoacopladores, aisladores de radio frecuencia, etc, para evitar interferencias electromagnéticas en el circuito impreso.  A modo de evitar ruido de conmutación en los circuitos digitales se deben utilizar condensadores entre fuente y tierra lo más cerca posible a cada integrado. Intercalar un condensador cada 10 integrados o por cada tarjeta electrónica. 3.6.1. Estudio de las diversas etapas del BMS Comentados las características que debe cumplir y realizar un sistema de gestión de baterías, apartado 2.7, a continuación se va a desglosar y describir nuestro diseñado. Dicho diseño tiene cuatro partes a analizar, por un lado la carga, la descarga, la fase de balanceador/quemador y por último una protección frente excesos de temperatura. Para que quede claro se muestra en las figuras 64, 65 y 66 el esquemático completo del BMS. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 118 fabricación de las celdas y tiene un encapsulado tipo SOT-363, figura 73. Como operamos con celdas LiFePo4, los umbrales de tensión mínimos y máximos que nos fija este componente son 2 V y 3.6 V respectivamente. Figura 73. SOT-363 Etapas de conmutación. Mosfet canal-N Componente empleado en el ciclo de carga y en el de descarga para realizar la conmutación entre la carga y las resistencias de quemado respectivamente. Debido a que operamos con una batería de poca capacidad sólo será necesario un mosfet de canal-N para cada proceso. En la figura 74, se muestran los esquemas a seguir en el proceso de carga, (carga de las baterías), y el proceso de descarga (alimentación al propulsor). A continuación, figura 75, se muestra la conexionado realizado para el circuito impreso. Figura 74. Esquema carga/descarga CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 119 Figura 75. Mosfets de conmutación Estos mosfet soportan una corriente de drenador de hasta 110 A y una tensión de drenador-fuente de hasta 55 V a temperatura ambiente. Tienen un encapsulado TO-220AB al que se les podría acoplar un disipador estándar si fuese necesario, observándose en la figura 76, su patillaje e imagen real. Figura 76. Mosfet canal-N IRF-3205 En el caso de tener una batería de mayor capacidad, se incorporan mosfet en paralelo a éste en ambas etapas, hecho que hace que la corriente se distribuye entre ellos, reduciendo las pérdidas por conducción, mejorando así las características térmicas de los mismos. Sensor de temperatura Se ha implementado como medida de seguridad para el BMS incorporar un sensor de temperatura, para realizar el corte de energía por exceso de temperatura en las etapas de conmutación, como se comento anteriormente con el título “Protección frente excesos de temperatura”. En la figura 77 se muestra el patillaje y la forma física del componente al uso. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 120 Figura 77. Sensor de temperatura Balanceador/Quemador Supervisor de tensión El componente STM6717 es empleado para supervisar/comparar el sobrevoltaje de la celda en la etapa de carga, con ello se evita el funcionamiento de la celda a un valor de tensión de 4 V, evitando que opere fuera de la zona de seguridad. En la figura 78, se muestra su patilla junto a su encapsulado tipo SOT23-5, además para que se tenga una mejor comprensión de su funcionamiento, en la figura 79 se muestra mediante un diagrama de bloques. Figura 78. Supervisor de tensión STM6717 Figura 79. Diagrama de bloques STM6717 CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 121 Conmutación Mosfet canal-P El componente 4803A está compuesto por dos mosfets canal-P dentro de un encapsulado SOIC-8, que se emplea como elemento conmutador hacia el quemador en el momento que sea necesario eliminar el exceso de carga de la celda. En la figura 80 se muestra la imagen del componente junto a su estructura interna. Figura 80. Componente 4803A (Mosfet Canal-P) Resistencia de potencia Las resistencias de potencias empleadas en el quemador son las encargadas de disipar el exceso de energía de aquellas celdas que sobrepasen los 4 V en el proceso de carga, tienen un valor de 100 Ω y 2 W de potencia, con encapsulado de montaje superficial 2512, figura 81. Figura 81. Resistencia de potencia SMD 3.6.3. Diseño PCB’s A la hora de diseñar el circuito impreso tenemos que tener en cuenta que nuestro diseño cuanta con dos PCB’s por un lado tenemos la estructura del BMS y por otro el balanceador/quemador. A la hora de comenzar el diseño hay que tener en cuenta las dimensiones de la placa, nos podríamos decantar por tarjetas estándar pero debido al uso que va a recibir nuestro BMS, sus proporciones vienen fijadas por su ubicación en el AUV y ésta es el diámetro del tubo de pvc donde irá la batería. Indicar que se realizará de menor tamaño que dicho diámetro pues en el futuro se pretenderá tener un vehículo de menores dimensiones, más compacto y robusto además de bajo coste, medidas que caracterizan el diseño del vehículo autónomo creado por el equipo AVORA. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 122 Realizados los esquemáticos, nos toca la creación de la placa de circuito impreso, a la que además de darle tamaño debemos indicar si es de simple o doble capa de cobre (trabajos con paneles de fibra de doble capa), esto se indica en el panel de Altium denominado Layer Stack Manger. A partir de los footprint de cada componente indicado en el esquemático, se importan las conexiones y las nets pertenecientes al esquemático, que aparecerán en el contorno de la placa junto con sus conexiones. Es ahora cuando el diseñador bajo su experiencia y cumpliendo las reglas de diseño deberá realizar la colocación y conexionado de los componentes, para finalmente realizar el chequeo de las mismas, cuyo resultado de errores debe ser nulo. El programa permite realizar auto-ruteado o ruteado manual, en circuitos mediados o grandes es recomendable hacerlo de forma manual, de realizarse de forma automática es muy probable que aparezcan fallos en las reglas de diseño o que no se logre completar el ruteado. Todo lo comentado en el párrafo anterior, se puede ver a continuación desde la figuras 82 a la figura 85, indicar que tendremos dos placas y que las imágenes corresponden al proceso de diseño del BMS junto al balanceador dado que el diseño del quemador va en otra placa. Además, se explican las reglas de diseño que se impusieron y un sumario con el resultado final de errore, figura 89. Figura 82. Layer stack manager CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 123 Figura 83. Dimensiones placa BMS y balanceador Figura 84. Importación de componentes CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 124 Figura 85. Resultado importación de componentes Como se ha comentado a la hora del diseño de la placa de circuito impreso éstas deben seguir unas reglas, dentro de las diversas y variadas que existen destacamos las siguientes:  Electrical clearance. Se debe definir la distancia mínima que tiene que haber entre pistas, debido a la maquinaria existente en las instalaciones del SFP podemos llegar a una separación mínima de 0.2 mm para obtener PCB de máxima calidad. Figura 86. Electrical clearance  Routing width. Establece el tamaño máximo, mínimo y preferente con el que se podrá realizar el ruteado de las pistas. Debido a las necesidades de dimensiones, efectos resistivos, capacitivos, etc, en nuestro caso podemos operar con un tamaño mínimo de 0,2 mm y máximo de 6 mm. CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 125 Figura 87. Routing width  Routing vías style. Determina el tamaño de las vías empleadas tanto el diámetro interno/externo como mínimo/máximo. Nosotros lo determinamos en función de los taladros de nuestras CNC y requerimientos, trabajando con vías de 0,3 mm y corona de 0,6 mm tamaños mínimos y máximo de 1 mm y 2 mm respectivamente. Figura 88. Routing vías style Colocados los componentes, realizado el ruteado con las reglas de diseño impuestas, es hora de realizar el chequeo del diseño de la placa impresa y corregir todos los posibles fallos hasta obtener cero errores. Figura 89. Design rule check CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 126 Planos obtenidos En este apartado se expondrán los diversos planos que se obtuvieron tras el diseño final de los circuitos impresos necesarios para el diseño final del sistema de gestión de baterías. Las dos primeras figuras se corresponden con el resultado completo de ambas placas de circuito impreso y en las restantes se muestran los planos top, bottom y serigrafía de ambas. Figura 90. Placa ruteada BMS/Balanceador Figura 91. Top layer BMS/Balanceador CAPÍTULO 3. EQUIPAMIENTO DEL AUV Y DESARROLLO DE CIRCUITOS IMPRESOS 127 Figura 92. Bottom layer BMS/Balanceador Figura 93. Top serigrafía BMS/Balanceador Figura 94. Placa ruteada Quemador CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 134 4.1.1. Miembros y estado del vehículo En la evolución de crear un AUV para participar en la competición europea de robótica submarina SAUC-e muchos fueron los interesados pero sólo unos pocos los agraciados. Al inicio, este proyecto despertó gran interés dentro el colectivo universitario de la ULPGC, pero debido a diversos factores, algunos miembros fueron dejando de colaborar en el proyecto de desarrollo del vehículo. A continuación detallamos los miembros y las funciones principales desempeñadas, anotando que directa o indirectamente todos participamos en las tareas del resto y en ocasiones se invirtieron responsabilidades para que el proyecto llegara a buen puerto. Figura 101. Formación del equipo AVORA Figura 102. AUV AVORA CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 135  Aarón Martínez. Responsable del diseño y construcción del AUV. Es el fundador de un start-up, Biomecan, dedicado al desarrollo de prototipos personalizados.  Anil Mahtani. Team leader del equipo AVORA. Responsable de la gestión interna del equipo y de la arquitectura software del AUV.  Daniel García. Responsable del diseño de la arquitectura hardware, e integración electrónica. Debido a que le surgió una oferta de trabajo justo antes de la partida de AVORA a la competición no pudo estar insitu, fue un miembro muy activo durante todo el proceso del proyecto.  David Morales. Responsable del diseño y fabricación de circuitos impresos para el vehículo.  Enrique Fernández. Responsable del desarrollo de software y la integración. Durante el desarrollo del proyecto y tras su finalización tenía una instancia en el CIRS, departamento del VICOROB en el parque científico y tecnológico de la Universidad de Girona, debido a que estaba haciendo el doctorado cuyo proyecto era “Test and Evaluation of the FastSLAM Algorithm in a Mobile Robot”. (En la figura 101 no está debido a que se encontraba realizando su doctorado en Girona).  Federico Maniscalco. Desarrollador de software.  Luis Sánchez. Responsable del sistema acústico y visión del vehículo. Antes de realizar el desplazamiento a la competición el equipo ya había enviado el documento informativo, paper [43]. En él se describió todo lo realizado incluyendo algunas acciones que por falta de tiempo no se pudieron realizar pero que se indicaron porque se habían tenido en cuenta y sólo faltaban su implementación. Aclarar que AVORA realizo alguna inmersión en Gran Canaria, ya fuese en el muelle de Taliarte o en la piscina de la que se disponía, pero eran acciones puntuales sin tener todo el AUV montado. En cuanto al vehículo, éste llego a Italia, sin estar completamente testeado debido a que el proyecto se realizo en tiempo record, 5 meses. Tiempo empleado en realizar la construcción, comprobación de estanqueidad, desarrollo software y hardware y control de movilidad. Esto implico que el AUV era un ROV y que en la semana que se disponía en el NURC, debíamos conseguir desconectar el cordón umbilical y que navegara por si sólo integrando por completo a la unidad de control los sistemas de sonar, visión y realización de pruebas que se tenían funcionando correctamente de forma independiente. Estos CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 136 dispositivos funcionaban correctamente ya que se habían implementado sus drivers a la vez que se habían simulado con datos muy parecidos a los que nos íbamos a encontrar en la arena de la competición. Quedaba introducir el vehículo en el agua de la Spezia y ver como se comportaba antes de dejar que se moviese de forma autónoma. 4.1.2. Competición SAUC-e12 Llegados a Italia, quedaba una dura semana de trabajo para poder conseguir que en los 3 últimos días (1 para pre-clasificar, 1 para clasificar y 1 para la final) realizar un buen resultado frente al resto de equipos, de los cuales algunos tenían una experiencia de hasta 12 años como el caso del SONIA TEAM 13 o equipos de primer año como el Turtle. En la figuras 103 se pueden ver los 14 equipos participantes en SAUC-e 2012 y sus vehículos submarinos autónomos respectivamente, los cuales, se nombran a continuación: Aquatis, ESIEA Paris; AVALON, Universidad de Bremen; AVORA, Universidad Las Palmas de Gran Canaria; Barracuda, Universidad de Cambridge; Cissau, ENSTA Bretagne; Hanse, Universidad de Lübeck; Nautilux, École Polytechnique; Nessie, Universidad de Heriot-Watt; Ryujin, ESIEA Paris; Saucisse, ENSTA Bretagne; Smarte, Universidad de Lübeck; Sonia, École de Technologie Supéreure du Quebec; Turle, Universidad de Florencia; UWESub, Universidad de West England. Figura 103. Equipos y vehículos SAUC-Ee12 Para AVORA, el mero hecho de estar rodeado de los mejores estudiantes de todas partes de Europa y Canadá, además de poder intercambiar conceptos y visiones sobre 13 SONIA TEAM. http://sonia.etsmtl.ca/en/ CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 137 vehículos autónomos submarinos y robótica, cuando unos meses atrás parecía imposible llegar al evento, ya era todo un sueño hecho realidad. La arena se dividía en dos partes idénticas, para que así el obtener datos antes de la clasificación se pudiese hacer de forma fluida. Observamos que las condiciones de poca visibilidad y corrientes superficiales eran mayores a las estimadas. Además la organización proporcionó dos espacios de trabajo, uno interior para poder soportar las elevadas temperaturas y otro exterior pegado a las piscinas saladas y la arena, figura 104. En los primeros 5 días, los equipos tienen sesiones de prácticas y recogida de datos de la arena, pero algunos equipos en realidad utilizan este tiempo para la construcción de sus vehículos, como fue nuestro caso. En el primer día, miembros de AVORA tomaron una cámara submarina e hicieron una grabación de la arena para posteriormente ver como actuaban con ellas nuestros algoritmos; mientras otros terminaban la construcción del vehículo para finalmente hacer pruebas preliminares en la piscina, como se puede ver en la figura 105. Concluyendo la jornada, cuando ya el vehículo estaba a un paso de pasar el test de verificación por parte de los jueces y saltar el día siguiente a la arena, debido a un descuido a la hora del cierre de conectores, entró agua en él. Ahora tocaba iniciar todo lo avanzado y analizar componente a componente si estaba estropeado o no y con ello verificar si podíamos seguir en la competición. Figura 104. AVORA en las instalaciones del CMRE CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 138 Figura 105. Primer día de trabajo de AVORA en el CMRE Se inició el proceso de verificación de los componentes y se comprobó que los componentes electrónicos no habían sufrido daños, ahora tocaba instalarlos nuevamente, trimar el vehículo para que flotase de la forma más estable posible y finalmente superar el test de verificación. Durante este proceso, el periodo de calificación empezó, así que estábamos a contrarreloj si queríamos clasificarnos y pasar a la final. Pasado el test de verificación del vehículo con éxito, se procedió a ajustar los algoritmos de navegación y con la falta de tiempo tocaba hacerlo directamente en la arena, pero éstas estaban ocupadas por los equipos en sus correspondientes ventanas de clasificación, concluyendo el día de pre-clasificación sin poder lanzarnos a la mar. Al día siguiente, día de clasificación, se realizaron simulaciones de la primera prueba descrita en el apartado 2.1.1, y reajustes de la programación; pero al final, debido a que no teníamos suficientes test y tras el percance inicial, se decidió no poner en riesgo nuevamente el vehículo, optamos por no utilizar nuestra ventana clasificatoria para tal fin sino emplearla para seguir realizando pruebas de sonar, visión y navegación en modo ROV. Figura 106. Pruebas de sonar y visión en modo ROV CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 139 Tras no optar a la final, los ánimos se vinieron un poco abajo, pero no estaba todo perdido aún, podíamos tener nuestra oportunidad en la categoría de “impresionar a los jueces” y no irnos con uno de los premios de consolación por haber participado. Reutilizando el proyecto fin de carrera de Aarón Martínez que trabajó con un par de gafas de realidad virtual nos pusimos manos a la obra. Gracias a que nuestro vehículo disponía de un sistema de cámara pan-tilt, y giróscopo se desarrollo un software que combina estos dos elementos con las gafas a las que se les incorporó una unidad inercial externa, así el usuario una vez colocado el casco podía mover su cabeza arriba-abajo/izquierda-derecha, visualizando a través de las gafas esos mismos moviendo pero desde la perspectiva de la cámara del vehículo sumergido. Todo esto se preparó durante la noche y el mismo día de la gran final. Cuando llegó el momento de esta competición, los jueces quedaron impresionados con nuestro sistema de telepresencia y fue curioso observar como hacían turnos para jugar con nuestro sistema. Al final del día se procedió a la entrega de premios y sorprendidos nos quedamos cuando nos otorgaron el primer permio de impresión al jurado, figura 107. Se puede ver un resumen de las clasificaciones y premios otorgados en SAUC-e 2012 en la tabla 17. Figura 107. Premio obtenido en SAUC-e El hecho de participar en este evento nos permitió conocer algunos vehículos increíbles, como el sorprendente diseño en forma de disco con tres propulsores con eje de rotación adicional para lograr movimiento vertical y luz estroboscópica que simulaban a un OVNI pero submarino. Por otro lado estaba la experiencia y horas dedicadas en el desarrollo del SONIA, diseño robusto y flexible implementado con un software CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 140 extraordinario, primer clasificado aquí y terceros en la RoboSub del mismo año. En definitiva que SAUC-e fue una gran experiencia que no dejó a nadie indiferente. EQUIPOS CLASIFICACIÓN GENERAL CLASIFICACIÓN IMPRESIÓN AL JURADO PREMIO OBTENIDO SONIA 1º Clasificado HANSE 2º Clasificado SAUCISSE 3º Clasificado AVORA 1º Clasificado NAUTILUX 2º Clasificado CISSAU 3º Clasificado AVALON Best Qualifier SMARTE Innovation BARRACUDA Engineering NESSIE Multinational AQUATIS Best Use of Resources RYUJIN Affordability TURTLE Rookie of the Year Tabla 17. Resultados SUAC-e 2012 4.2. Test y análisis del Sistema de Gestión de Baterías Realizado el diseño, fabricación y montaje es momento de verificar el correcto funcionamiento del mismo. Como se comentó al inicio de este capítulo se ha de realizar dos pruebas una en carga y otra en descarga, para corroborar que el circuito impreso funciona y cumple con su fin. Para que se queden claros los valores obtenidos en las pruebas y que el lector no tenga que subir a la tabla 9 para ver las características de las baterías LiFePo4 empleadas, las indicamos a continuación: Voltaje nominal 3,6 V Protección sobrevoltaje 4±0,05 V Capacidad 10 Ah Protección subvoltaje 2 V Corriente de carga máxima 5 C (5 A) Ciclos de vida 2.000 ciclos Máxima descarga continua 10 C (10 A) Impedancia ≤10 mΩ CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 141 4.2.1. Test y análisis del proceso de descarga El objetivo de este test es verificar que cuando la batería suministra potencia al elemento físico que la demande, en la prueba en el laboratorio una resistencia de potencia y en la realidad los propulsores, el sistema de gestión de batería verifica la descarga de cada celda del pack y cuando observa que una de las celdas alcanza una tensión en sus bornes de 2 V el sistema se desconecta y no vuelva a activarse hasta que todas las celdas sobrepasen los 2,2 V. En la figura 108, se muestra el conexionado empleado para llevar a cabo esta prueba, una vez se ha implementado y con el detalle de que cada cable sea de igual longitud iniciamos el proceso de monitorizar la tensión en bornes de cada celda así como la del pack de baterías cada 10 minutos. Los resultados obtenidos se recogen en la tabla 18. Figura 108. Conexionado fase de descarga Tiempo: 0 min BMS: ON Tiempo: 10 min BMS: ON Tiempo: 20 min BMS: ON CELDA Vcelda (V) CELDA Vcelda (V) CELDA Vcelda (V) B0 3,6 B0 3,42 B0 3,25 B1 3,5 B1 3,32 B1 3,15 B2 3,5 B2 3,3 B2 3,14 B3 3,6 B3 3,45 B3 3,28 B4 3,45 B4 3,40 B4 3,23 B5 3,6 B5 3,42 B5 3,25 V Pack 21,25 V Pack 20,31 V Pack 19,3 CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 142 Tiempo: 30 min BMS: ON Tiempo: 40 min BMS: ON Tiempo: 50 min BMS: ON CELDA Vcelda (V) CELDA Vcelda (V) CELDA Vcelda (V) B0 3,08 B0 2,94 B0 2,72 B1 2,99 B1 2,86 B1 2,64 B2 2,97 B2 2,84 B2 2,62 B3 3,10 B3 2,97 B3 2,75 B4 3,06 B4 2,93 B4 2,70 B5 3.08 B5 2,95 B5 2,72 V Pack 18,28 V Pack 17,49 V Pack 16,15 Tiempo: 60 min BMS: ON Tiempo: 70 min BMS: OFF CELDA Vcelda (V) CELDA Vcelda (V) B0 2,50 B0 2,30 B1 2.43 B1 2.23 B2 2,41 B2 1,99 B3 2,53 B3 2,32 B4 2,49 B4 2,29 B5 2,50 B5 2,30 V Pack 12,36 V Pack 13,43 Tabla 18. Resultados prueba de descarga De los datos obtenidos en la prueba se observa que la tensión de cada celda cae aproximadamente un 5% de media cada 10 minutos y que transcurridos 70 minutos desde que se inicia la prueba el BMS se desconecta debido a que la celda “B1” ha decaído por debajo de los 2 V. Como era de esperar, las celdas no se descargan al mismo ritmo debido como ya se habló durante este documento que las celdas no son exactamente iguales aunque se fabrican con el mismo proceso y tienen SOH diferente. 4.2.1. Test y análisis del proceso de carga El objetivo es comprobar que el BMS en el proceso de carga de las celdas de la batería, suministrando una corriente de 2 A a las mismas, es capaz de detectar cuando una celda alcanza los 3,6 V y en ese instante se inicie el proceso de quemado del exceso de CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 143 energía de tal celda. Este proceso se realiza repetitivamente hasta que el pack de batería quede balanceado. Cuando alguna de ellas llegue a los 4 V se desconectará su carga y en el momento que baje de los 3,6 V se volverá a activar. La comprobación del buen funcionamiento del BMS en este proceso se dará por finalizado cuando todas las celdas alcancen los 3,6 V. En la figura 109, se muestra el conexionado empleado para llevar a cabo esta prueba, cuyos resultados obtenidos se recogen en la tabla 19, tras haber monitorizado cada 10 minutos. Figura 109. Conexionado fase de carga Tiempo: 0 min Tiempo: 10 min Tiempo: 20 min CELDA Vcelda (V) CELDA Vcelda (V) CELDA Vcelda (V) B0 2,30 B0 2,47 B0 2,67 B1 2,23 B1 2,40 B1 2,60 B2 1,89 B2 2,46 B2 2,26 B3 2,32 B3 2,60 B3 2,88 B4 2,29 B4 2,47 B4 2,66 B5 2,30 B5 2,42 B5 2,67 V Pack 13,33 V Pack 14,82 V Pack 15,74