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Simulación Hardware in the loop para Sistemas de Energía en Vehículos Híbridos Eléctricos

“El uso del software LabVIEW para la adquisición de datos, simulación y control además de una tarjeta DAQ, ha permitido desarrollar una plataforma de ensayo sencilla y con coste reducido”. – Lucía Gauchía, Universidad Carlos III de Madrid

El Reto

El montaje de una plataforma de ensayo para sistemas híbridos de energía, como el formado por pila de combustible y baterías, de tal forma que pueda reproducir su funcionamiento, pero manteniendo una elevada flexibilidad, funcionamiento seguro y coste reducido.

La Solución

 

Aplicar una simulación HIL (hardware-in-the-loop), sustituyendo la pila de combustible y simulando su funcionamiento en un sistema híbrido con una batería real. El uso del software LabVIEW 8.0 y el “Control Design and Simulation Toolkit” para realizar el modelo dinámico de la pila de combustible simplificó el trabajo ya que este modelo podía ser integrado en el programa de adquisición y control de la plataforma final.

Introducción

 

En los últimos años los vehículos híbridos eléctricos han despertado el interés de la industria automovilística debido a las menguantes reservas petróleo y a la emisión de gases de efecto invernadero de los vehículos convencionales. Para el desarrollo de los vehículos híbridos es necesario evaluar su funcionamiento a través de trabajo experimental. La mayoría de plataformas de ensayo desarrolladas han sido montadas para una configuración en particular, lo que implica una baja flexibilidad y elevados costes debido a todos los equipos necesarios. Para lograr una plataforma de ensayo con un menor coste y mayor flexibilidad, parte de la plataforma ha sido simulada.

Configuración de la plataforma de ensayo

 

La plataforma presentada en este trabajo es apta para el ensayo de diferentes sistemas de potencia, tanto para aplicaciones vehiculares como estacionarias. Esta flexibilidad se ha obtenido utilizando una pila de combustible y una carga simulada además de una batería real (u otro sistema de almacenamiento de energía, como los supercondensadores), como se muestra en la Figura 1. La ventaja de utilizar una pila de combustible simulada radica en que se pueden ensayar diferentes tipos de pila de combustible (PEM, SOFC, MCFC, etc.) sin tener que invertir en cada equipo y evitando la inversión y el riesgo de una instalación de hidrógeno, mientras que la batería real permite su fácil sustitución por otro tipo de tecnologías (NiMh, Li ion, etc.)

Simulador de pila de combustible

 

La adquisición de datos y el control de la plataforma de ensayo se realiza con una tarjeta DAQ USB 6215, que puede ser utilizada tanto en ordenador de sobremesa como en ordenador portátil y que fue programada con el software LabVIEW 8.0. La decisión del lenguaje de programación a utilizar para el modelo dinámico de la pila de combustible fue una decisión crítica debido a que debería ser fácilmente integrable con el resto de la plataforma de ensayo. La solución más directa era programar el modelo de la pila de combustible directamente sobre LabVIEW 8.0, de forma que pudiera incorporarse al programa de adquisición de datos, lo que implica que solo se utiliza un lenguaje en el sistema, simplificando y facilitando su funcionamiento. El modelo fue desarrollado con el “Control Design and Simulation Toolkit”, que permite de forma rápida y sencilla describir las ecuaciones que gobiernan la pila de combustible. El “Block Diagram” del programa se muestra en la Figura 2. Los parámetros de simulación como el tiempo inicial, final, método de resolución, etc. pueden ser seleccionados. En este caso se utilizó el método Runge Kutta 1 con un tiempo de simulación de 1 e-8 s. Las salidas del modelo dinámico de la pila de combustible son la tensión en bornes y la corriente máxima. Estas señales se envían a través de las salidas analógicas de la tarjeta DAQ USB 6215 a una fuente DC programable (Sorensen 20-150E), que así controlada trabaja como una pila de combustible. Por lo tanto, con solo una fuente de tensión programable, una tarjeta de adquisición de datos y un ordenador se puede simular el funcionamiento de una pila de combustible.

Montaje experimental

 

La pila de combustible simulada debe interaccionar con la batería Máxxima® de Tudor-Exide (12 V, 50 Ah), tal y como se representa en la Figura 3. Esto se lleva a cabo eléctricamente conectando en paralelo la fuente de tensión programable que simula la pila de combustible y la batería real. Tanto la pila de combustible simulada como la batería real alimentan a la carga electrónica (Chroma 63201). La corriente solicitada por la carga electrónica fue previamente calculada teniendo en cuenta la máquina eléctrica, la transmisión mecánica y la dinámica del vehículo. El perfil de corriente obtenido se envía a la carga Chroma a través del driver de LabVIEW para este equipo con un cable RS232. La plataforma puede controlarse adecuadamente a través de dos sensores de corriente que monitorizan la corriente de la batería y de la carga y un sensor de tensión que mide la tensión del bus de continua. Además, conocida la corriente circulante por la batería es posible monitorizar el estado de carga de la batería teniendo en cuenta el estado de caga anterior y el tiempo de carga o recarga. Con la plataforma de ensayo desarrollada es posible el ensayo de la interacción pila de combustiblebatería, estudiando por ejemplo, el grado de hibridación ya que el porcentaje de corriente suministrado por la batería afecta a su vida además de a la eficiencia de la pila de combustible, los costes de hidrógeno y la autonomía del vehículo.

Conclusión

 

El desarrollo de una plataforma de ensayo HIL ha resultado ser una forma práctica de estudio de cada uno de los sistemas de potencia presentes en un vehículo híbrido eléctrico, permitiendo el estudio del grado de hibridación y las consecuencias que ello conlleva para cada sistema. Además, el uso del software LabVIEW para la adquisición de datos, simulación y control además de una tarjeta DAQ, ha permitido desarrollar una plataforma de ensayo sencilla y con coste reducido.



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