Control digital de la gestión de energía de un sistema hibrido pila de combustible-batería

Abstract

[ES] Aproximadamente el 25% de las emisiones globales de CO2 son generadas por motores de combustión utilizados en el transporte de personas y mercancías. Dado que los combustibles fósiles tienen una disponibilidad limitada, es inevitable que surjan nuevas tecnologías para alimentar la movilidad. Sin embargo, los sistemas exclusivamente eléctricos enfrentan desafíos significativos, como la necesidad de baterías de gran tamaño y alto impacto ambiental. En este contexto, los sistemas híbridos, que combinan varias tecnologías, se perfilan como la solución más prometedora. Estos sistemas permiten maximizar las ventajas de cada tecnología individual, optimizando el rendimiento y la eficiencia. El campo de los sistemas híbridos está en constante desarrollo y tiene un futuro prometedor debido a su capacidad para integrar y mejorar diferentes fuentes de energía. Además, los drones están revolucionando diversos sectores, destacándose como un área de investigación en pleno auge. La implementación de sistemas de alimentación híbridos en drones esta llamada a impulsar estas tecnologías. El presente trabajo de fin de grado (TFG) está en el marco de un proyecto de investigación. Este proyecto está centrado en la implementación de un sistema híbrido compuesto por una batería electroquímica y una pila de combustible alimentada con hidrógeno. El sistema está pensado para otorgar la energía necesaria al sistema de propulsión de un dron, otorgándole mayor autonomía y capacidad de carga frente a otros sistemas convencionales. Al fusionar ambos sistemas de alimentación, surge la necesidad de diseñar un sistema de control digital que gobierne el funcionamiento del sistema híbrido. De un lado debe controlar el balance de planta de la pila de combustible y por otro debe actuar sobre la etapa de potencia que recarga la batería en vuelo. En el actual TFG se hace una contextualización del proyecto, se identifican las necesidades de hardware y software, se seleccionan los componentes que formaran el hardware y se diseña la arquitectura del software. Para realizar estos pasos, se modela el comportamiento del sistema con la definición de una máquina de estados finitos. La creación de un control digital como el propuesto por el equipo de investigación H2Drone conlleva la necesidad de desarrollar herramientas que permitan el análisis del comportamiento del sistema híbrido. Se ha desarrollado y validado un sistema de adquisición de señales que permite observar el comportamiento del sistema en tiempo real en un ordenador portátil.

[EN] Approximately 25% of global CO2 emissions are generated by combustion engines used in the transportation of people and goods. Given that fossil fuels have limited availability, the emergence of new technologies to power mobility is inevitable. However, exclusively electric systems face significant challenges, such as the need for large batteries with high environmental impact. In this context, hybrid systems, which combine various technologies, appear to be the most promising solution. These systems allow for maximizing the advantages of each individual technology, optimizing performance and efficiency. The field of hybrid systems is constantly evolving and has a promising future due to its capacity to integrate and enhance different energy sources. Additionally, drones are revolutionizing various sectors, standing out as a booming area of research. The implementation of hybrid power systems in drones is expected to drive these technologies forward. This bachelor's thesis (TFG) is part of a research project focused on implementing a hybrid system composed of an electrochemical battery and a hydrogen-powered fuel cell. The system is designed to provide the necessary energy to a drone's propulsion system, granting it greater autonomy and load capacity compared to other conventional systems. By merging both power systems, there arises a need to design a digital control system that governs the operation of the hybrid system. On one hand, it must control the fuel cell's balance of plant, and on the other, it must manage the power stage that recharges the battery in flight. This TFG contextualizes the project, identifies the hardware and software needs, selects the components that will form the hardware, and designs the software architecture. To achieve these steps, the system's behavior is modeled with the definition of a finite state machine. The creation of a digital control system as proposed by the H2Drone research team requires the development of tools that allow for the analysis of the hybrid system's behavior. A signal acquisition system has been developed and validated, enabling real-time observation of the system's behavior on a laptop.

[CA] Aproximadament el 25% de les emissions globals de CO2 són generades per motors de combustió utilitzats en el transport de persones i mercaderies. Atés que els combustibles fòssils tenen una disponibilitat limitada, és inevitable que sorgisquen noves tecnologies per a alimentar la mobilitat. No obstant això, els sistemes exclusivament elèctrics enfronten desafiaments significatius, com la necessitat de bateries de gran tamany i alt impacte ambiental. En aquest context, els sistemes híbrids, que combinen diverses tecnologies, es perfilen com la solució més prometedora. Aquests sistemes permeten maximitzar els avantatges de cada tecnologia individual, optimitzant el rendiment i l’eficiència. El camp dels sistemes híbrids està en constant desenvolupament i té un futur prometedor a causa de la seua capacitat per a integrar i millorar diferents fonts d’energia. A més, els drons estan revolucionant diversos sectors, destacant-se com una àrea d’investigació en ple auge. La implementació de sistemes d’alimentació híbrids en drons està cridada a impulsar aquestes tecnologies. El present treball de fi de grau (TFG) està en el marc d’un projecte d’investigació. Aquest projecte està centrat en la implementació d’un sistema híbrid compost per una bateria electroquímica i una pila de combustible alimentada amb hidrogen. El sistema està pensat per a atorgar l’energia necessària al sistema de propulsió d’un dron, atorgant-li major autonomia i capacitat de càrrega enfront d’altres sistemes convencionals. En fusionar ambdós sistemes d’alimentació, sorgix la necessitat de dissenyar un sistema de control digital que governe el funcionament del sistema híbrid. D’una banda ha de controlar el balanç de planta de la pila de combustible i d’altra banda ha d’actuar sobre l’etapa de potència que recarrega la bateria en vol. En l’actual TFG es fa una contextualització del projecte, s’identifiquen les necessitats de hardware i software, es seleccionen els components que formaran el hardware i es dissenya l’arquitectura del software. Per a realitzar aquests passos, es modela el comportament del sistema amb la definició d’una màquina d’estats finits. La creació d’un control digital com el proposat per l’equip d’investigació H2Drone comporta la necessitat de desenvolupar eines que permeten l’anàlisi del comportament del sistema híbrid. S’ha desenvolupat i validat un sistema d’adquisició de senyals que permet observar el comportament del sistema en temps real en un ordinador portàtil.