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15/03/2017

Innovación tecnológica: sistema híbrido de almacenamiento de energía controlado digitalmente


Innovación tecnológica: sistema híbrido de almacenamiento de energía controlado digitalmente

Rutronik ha desarrollado un revolucionario sistema híbrido de almacenamiento de energía (HESS) en colaboración con la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zwickau (WHZ). La combinación de batería y ultracondensador mejora las características de pico de corriente del sistema de almacenamiento de energía, minimiza la degradación de la batería y garantiza una mayor flexibilidad gracias al control digital. En una amplia variedad de aplicaciones, esta tecnología también contribuye a aumentar los niveles de fiabilidad y acentuar la capacidad del esfuerzo de desarrollo.
El objetivo del proyecto para Rutronik era probar que cualquier sistema de batería se puede usar con ultracondensadores en un entorno de trabajo real. Lo más destacado es que esta tecnología facilita la distribución ideal de la carga de trabajo: mientras la batería rinde como un suministrador de energía continuo que cumple la demanda de entrega constante de alimentación, el ultracondensador se encarga de picos temporales de corriente y tensión. La corriente de descarga de la batería se limita a su valor nominal y, por lo tanto, garantiza que nunca se supera el rango operativo establecido. Esta “operación suave” ayuda a incrementar la duración del sistema hasta un 100 por ciento.

Además, se genera mucho menos calor o, incluso, nada en el interior de la batería, lo que vuelve a ampliar la vida útil. Un pack de batería-ultracondensador se puede recargar en cualquier momento, independientemente del estado de carga, sin dañar las celdas de la batería y aporta elevadas prestaciones de alimentación de por vida. Un pack de batería-ultracondensador cargado está listo inmediatamente para su uso, incluso tras meses de inactividad, ya que los ultracondensadores tienen una ratio de auto-descarga extremadamente baja. Los ultracondensadores descargados se pueden recargar en cuestión de segundos. También destacan por diseño robusto y alto rendimiento con temperaturas por debajo de 0 °C. Esto supone que la fiabilidad de sistema mejora considerablemente. Por ende, este tipo de sistema híbrido de almacenamiento de energía también resulta interesante en aplicaciones de seguridad crítica como, por ejemplo, dispositivos médicos (desfibriladores). Además, el diseño es idóneo para equipos de alquiler y leasing que tienen que garantizar una determinada vida de servicio. Esto incluye todo tipo de herramientas eléctricas, desde destornilladores inalámbricos a sierras circulares.

Ultracondensadores: Robustos y duraderos

Esto es consecuencia de las características de los ultracondensadores: cargan y descargan ratios extremadamente elevadas en unos pocos segundos. Y, a diferencia de las baterías, alcanzan una duración de hasta 10 años y, al menos, 500.000 ciclos. Además, su rango operativo de -40 a +70 °C implica que son menos sensibles a la temperatura que las baterías. Una carencia de los ultracondensadores en su falta de capacidad para almacenar grandes cantidades de energía (densidad de energía). Sin embargo, donde estos condensadores de doble capa se distinguen del resto es en su capacidad de lidiar con descargas profundas y frecuentes.
Las baterías de iones de litio (Liion) tienen una profundidad de descarga (DOD) de alrededor del 25 por ciento, mientras que los ultracondensadores proporcionan una DOD de aproximadamente el 75 por ciento. A diferencia de las baterías, una caída de la DOD por debajo de este valor no causará un efecto perjudicial en el rendimiento a largo plazo del ultracondensador, ya que sólo se reduce el número de ciclos de carga. Con el objetivo de combinar las mejores características de ambos elementos de almacenamiento de energía en un mismo sistema, la carga y las corrientes de la batería y del ultracondensador deben ser medidas y balanceadas por un convertidor buck-boost híbrido.

Esto se basa en la definición de los umbrales para ambos dispositivos de almacenamiento, teniendo en consideración sus respectivas curvas características. Ya existen varias topologías básicas para este tipo de diseño de sistema, por ejemplo, con una configuración paralela de batería / ultracondensador, con un con- vertidor bidireccional y el ultracondensador en el lado primario y la batería en el lado secundario o la combinación de un convertidor unidireccional y otro bidireccional. Todas las topologías tienen en común que, al ser relativamente complejas, resultan costosas y requieren mucho tiempo.

Concepto medio con convertidor boost

Los dos socios de investigación decidieron que la topología de un convertidor DC-DC unidireccional era la mejor forma de minimizar este nivel de complejidad. Esto permite la creación de una estructura de tecnología de circuito más compacta y eficiente y, en consecuencia, se reduce tanto el tiempo y los costes de desarrollo como el número de componentes requeridos. En muchos aspectos, el sistema es bastante más rápido y fácil de personalizar por ser una solución digital. Otra de las ventajas importantes reside en la tensión a la que el inversor puede variar en un amplísimo rango definible. Si fuera necesario, el ultracondensador también se puede acoplar directa y dinámicamente en el inversor a la hora de soportar picos de corriente. El convertidor DC-DC sólo está limitado por la necesidad de ofrecer el pico de corriente a través de un diodo controlado (MOSFET). Para optimizar la adaptación de tensión, se puede establecer el mayor voltaje en el circuito intermedio a una ratio de 2:1, por ejemplo, donde la tensión en el ultracondensador es el doble de alta que la de la batería. En otras palabras, la energía del ultracondensador se utiliza al completo; puede suministrar el 75 por ciento de su energía disponible al 50 por ciento de voltaje.

Topología del demostrador

Los fabricantes de herramientas eléctricas inalámbricas siempre están buscando la manera de garantizar o incrementar la duración de la batería. Alentados por el respaldo de la industria, los ingenieros de diseño definieron la plataforma para desarrollar un demostrador – un destornillador inalámbrico. La topología del demonstrador se basa en una estructura buck OR MOS boost combinada que nunca antes se había aplicado en este contexto. También incorpora gestión de potencia completamente digital, los controladores correspondientes y los parámetros configurables por software de extremo a extremo. Por lo tanto, cuanto mayor es la impedancia del sistema de batería, menor es el rendimiento de impedancia. El resultado:

• Mayor duración de batería
• Limitación de corriente ajustable
• Excelentes características con elevada potencia
• Capacidad de estimación de la vida útil y el estado de salud (SOH) de la batería Junto a los ultracondensadores y a la batería Li-ion que se conecta a una fuente de alimentación primaria, el regulador de conmutación forma el núcleo de esta topología.
Está complementado por una lógica de dirección de corriente ultrarrápida que emplea la energía en cuanto comienza a salir del ultracondensador. También se monitorizan las señales de corriente y tensión analógicas de la batería Li-ion y del ultracondensador para garantizar el acondicionamiento de potencia ideal y así optimizar el uso de la energía. El microcontrolador define las especificaciones de señal y, en consecuencia, genera las señales PWM para los MOSFETs de potencia – en este caso de Infineon – y, por lo tanto, para la fuente de alimentación conmutada. Un conmutador especial guía la corriente desde la batería Li-ion al motor cuando no se requieren picos de corriente. Especialmente dimensionado, el ultracondensador se puede recargar por la batería en cualquier momento durante los descansos en la operación.

Tecnología de control

El Prof. Dr.-Ing. Lutz Zacharias, el Dipl. Ing. (FH) Ringo Lehmann y el Dipl. Ing. (FH) Sven Slawinski de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zwickau (WHZ) fueron los encargados de llevar a cabo el desarrollo de los algoritmos de control apropiados. Tras un análisis de sistema en profundidad y una síntesis de controlador determinado, acompañados de inspecciones preliminares basadas en simulación, se implementaron los algoritmos de tiempo discreto para hacer frente a las restricciones de hardware. A la hora de crear el software de control, se usaron los últimos métodos de diseño de software basado en modelo.
Como resultado, toda la gestión de potencia estaba modelada en VHDL-AMS. Usando este lenguaje de descripción de modelo estandarizado, los sistemas de control se pueden modelar y simular en línea con el hardware físico y, una vez que se ha automatizado vía Auto-Coding, transferir al hardware “objetivo”. Por último, se necesita una circuitería lógica ultrarrápida para garantizar una operación segura en todo momento. La seguridad y los requerimientos en tiempo real que resultan esenciales en el desarrollo de una solución conforme y viable no los pueden cumplir ni microprocesadores rápidos de alto rendimiento y, por ello, se tomó la decisión de invertir en componentes de hardware, por ejemplo, en la utilización de comparadores ultrarrápidos. El gran desafío durante la fase de modelado y simulación fue describir y esquematizar las características reales del controlador, la batería, el ultracondensador y la fase de potencia de la forma más exacta posible.

Sencillo, asequible e inteligente

Una simulación más extensa mostró que, a excepción de unas pocas situaciones específicas, los ultracondensadores no requerían balanceado en esta aplicación y, por consiguiente, no era apropiado. Obviamente, esto ayuda a reducir la complejidad del circuito – haciendo que sea sencillo, asequible e inteligente. Una vez que se había completado el modelado, se simuló y analizó matemáticamente todo el sistema antes de ser aceptado e implementado. Después de la configuración, el demostrador se sometió a un análisis térmico. El resultado: incluso sin un disipador de calor – heatsink, la temperatura nunca superó los 50 °C. Esto indica que tanto el hardware como los parámetros de control han sido definidos correctamente sin pérdidas de conmutación perceptibles. La operación en el rango de temperatura seguro, sin estrés térmico de ningún tipo, tiene un efecto positivo adicional en la vida útil del sistema. Esto sólo es posible con el uso de la topología buck OR MOS boost desarrollada. El principal objetivo de este proyecto de investigación era mostrar que el sistema híbrido de almacenamiento de energía trabaja en condiciones del mundo real – y esto se ha logrado mediante la operación fiable del destornillador inalámbrico.

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