El Reto
Desarrollar una plataforma HIL para sistemas de acumulación de energía. La plataforma debe ser lo suficientemente flexible como para albergar modelos de distintos tipos de acumulación como por ejemplo ultracapacidades o distintas tecnologías de baterías y en distintas configuraciones.
La Solución
Desarrollar el HIL de Acumulacion de Energía basado en una plataforma CompactRIO. El modelo se ejecuta en la FPGA a alta velocidad. Los módulos de entrada y salida permiten definir la interfaz del HIL. Finalmente desde el SO en tiempo real se pueden definir estrategias de control de carga y equilibrado de celdas, así como ciclado de pruebas.
Sistemas de acumulación de energía – Energy Storage Systems (ESS)
En la actualidad los sistemas de acumulación de energía se centran en tecnologías de almacenamiento eléctrico, en detrimento de otros sistemas mecánicos como los volantes de inercia. Estos sistemas de almacenamiento eléctrico se centran principalmente en dos tecnologías:
• Ultracapacidades – poca densidad de energía, alta densidad de potencia, aplicaciones de uso intensivo.
• Baterías – alta densidad de energía, densidad de potencia media.
Dado que los sectores de automoción y generación eléctrica en gran medida se apoyarán sobre sistemas basados en baterías, la mayoría de aplicaciones están centradas en esta tecnología más que en las ultracapacidades o supercondensadores, aunque éstas también tienen su aplicación de uso.
En lo referente a Baterías, la tecnología más reciente en irrumpir en aplicaciones de transporte y dispositivos electrónicos (móviles, ordenadores) son las baterías de ion litio (frente a PbO2, NiCd ó NiMH). En el litio la variedad es muy amplia en función de la química. Así, podemos encontrar baterías de litio bajo las siguientes químicas: LFP (LiFePO4), NCA (LiNiCoAlO2), NCM (LiNiMnCoO2), LMO (LiMn2O4),…
A su vez los sistemas de acumulación de energía envejecen y deben reemplazarse con el tiempo, siendo éstos sistemas muy caros. La velocidad a la que envejecen están directamente relacionados con el tipo de uso que se les ha dado, y la forma en la que se manifiesta su edad, de forma simplificada, es con una pérdida de capacidad de almacenamiento y un incremento de la resistencia interna equivalente.
El mayor valor en la integración de las tecnologías de acumulación de energía se centra en los siguientes aspectos:
• Integración electromecánica: consiste en la solución mecánica y eléctrica aplicada para agrupar las celdas formando módulos.
• BMS (battery-management-system) o su equivalente para ultracapacidades: se trata de la electrónica y el software que permiten conocer cuál es el estado exacto de la batería (nivel de carga, y estado de vida) de forma que permita garantizar un control del sistema en una región de trabajo donde el sistema alcance una mayor vida en términos de uso.
Hardware in the loop
Es habitual en el mundo de la producción que los ensayos de los dispositivos reales sea una tarea costosa. En numerosas ocasiones probar el dispositivo contra un sistema real tiene unas grandes implicaciones en términos de coste, tiempo y disponibilidad de recursos. Además, el tener que probar diferentes tecnologías, configuraciones o dimensionamiento de los elementos, hace necesario tener físicamente cada uno de ellos.
El “hardware in the loop” (HIL, en adelante) modela todos esos sistemas físicos en un sistema electrónico/informático simplificando la instalación necesaria, pues un pequeño dispositivo es capaz de emular varios sistemas físicos. La interfaz de entradas y salidas del HIL debe corresponder con la de los dispositivos a emular (en cuanto a niveles de tensión, potencia, tiempos de respuesta, etc.).
Las entradas son digitalizadas y en el interior del HIL corre un modelo matemático que simula el sistema físico. Así se calculan las diferentes variables del sistema (por ejemplo tensiones, corrientes, etc.) a partir de las entradas y el estado del modelo. Esas variables son convertidas de nuevo a señales eléctricas que simulan los sensores reales en el dispositivo físico y que realimentan el sistema de control.
De esa manera se consigue sustituir el sistema físico por un hardware dentro del lazo de control. La respuesta será tan buena como el modelo se corresponda con la realidad.
Otro dato importante es la velocidad de cálculo, pues debe ser lo suficientemente elevada para que la dinámica del sistema de control en lazo cerrado que va a supervisar el HIL no quede perjudicada por la sustitución del sistema real (continuo) por un sistema discreto, por ello es necesario alcanzar grandes velocidades de procesado.
Plataforma HIL para Sistemas de acumulación de energía
Asoindel ha desarrollado para un cliente una plataforma enfocada hacia sistemas basados en ultracapacidades de forma que es posible validar diferentes algoritmias de control de carga y equilibrado, gestión de las alarmas y los histogramas bajo las diferentes condiciones de uso y diferentes características eléctricas derivadas de un envejecimiento no homogéneo.
La plataforma desarrollada hace posible su expansión para poder implementar otros modelos de sistemas de acumulación, como por ejemplo modelos avanzados para diferentes tecnologías de baterías de ion litio para poder validar un BMS. Para ello la plataforma cuenta con un sistema de carga que ejecuta el modelo desarrollado en la FPGA a velocidades del orden de microsegundos, en función del número de celdas utilizadas.
También es posible implementar diferentes tipos de interfaz para simular las entradas/salidas del sistema de acumulación, con sus sensores asociados, ya sea mediante señales analógicas y digitales o control mediante sistemas de comunicaciones industriales, como por ejemplo CAN.
Como resultado, la plataforma de validación permite analizar incluso la influencia de los rizados de corriente derivados de la electrónica de potencia asociada, sobre la algoritmia de control de estado del BMS.
La parametrización de los modelos a ejecutar es completa, pudiendo escoger modelos sencillos o avanzados, incluso personalizados por el cliente.
Los valores de los diferentes componentes internos del modelo para diferentes tecnologías se puede seleccionar para cada una de las celdas por separado, además de permitir diferentes configuraciones de conexión eléctrica de éstas en distintas configuracions serie/paralelo.
La interfaz de usuario permite no solo parametrizar el modelo antes de ejecutarlo, sino modificar ciertos parámetros o variables durante el funcionamiento permitiendo insertar modos de fallo o variar el comportamiento. Además es posible automatizar ciertas tareas sin depender de un hardware externo, como por ejemplo emular ciclos de carga/descarga para verificar la evolución del equilibrio del sistema, o aplicar determinados perfiles de carga/descarga previ
amente descritos en un fichero.
Resultados
Se ha desarrollado una plataforma HIL especializada en sistemas de acumulación de energía que permite su personalización a nivel de modelo para implementar diferentes tecnologías de sistemas de acumulación y diferentes configuraciones de la interfaz hardware a través de módulos de entrada, salida y comunicaciones para adaptarse a la configuración del cliente.
La completa parametrización y automatización de tareas ponen en las manos del cliente final un dispositivo flexible que se ajusta a sus necesidades de pruebas, y requerimientos específicos.
En el caso del sistema de ultracapacidades el modelo ejecuta hasta 24 celdas a un tiempo de ejecución de 2 us/celda, gracias a la capacidad de la FPGA del CompactRIO de ejecutar modelos matemáticos a una alta velocidad de forma totalmente determinista.
