Sistemas híbridos basados en pilas de combustible

En la sección 2.6.3 se describieron los motivos por los que un sistema de pila de combustible necesita un sistema de almacenamiento de energía, usualmente una batería o, en algunas ocasiones, un banco de ultracondensadores. No obstante, estos no son los únicos benecios de la hibridación; se pueden señalar además los siguientes [Jossen et al., 2005]:

1. Puesto que la potencia total es la suma de la potencia de la pila de combustible más la potencia del sistema de almacenamiento, el tamaño de la pila puede reducirse. Esto

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permite la posibilidad de buscar soluciones más económicas y superiores en cuanto a peso y volumen. En este sentido, se puede combinar la alta potencia especíca de la batería o los ultracondensadores con la alta energía especíca de los sistemas de pila de combustible, en busca de soluciones más adecuadas a la aplicación en cuestión. 2. Surge un grado de libertad en la distribución de potencia. Este grado de libertad facilita

la búsqueda de una operación más eciente y permite proteger a las fuentes de potencia de funcionamientos perjudiciales para su vida útil. Un sistema de control de alto nivel se encargará de implementar una determinada gestión de la energía que establecerá en cada momento la distribución de potencias.

El tamaño relativo entre las dos fuentes de potencia puede variar de un extremo al otro [Jossen et al., 2005]. En un caso, se dispondría de un sistema de pila de combustible comple- mentado con una pequeña batería o banco de ultracondensadores, ejerciendo funciones de apoyo a la pila en el arranque, en los transitorios rápidos y en los picos de potencia. En el otro extremo, el sistema híbrido estaría formado por un banco de baterías que emplea una pequeña pila de combustible reservada para funciones auxiliares como la recarga periódica. Entre estos dos extremos se pueden dar soluciones intermedias donde ambas fuentes de po- tencia tienen una importancia similar en relación a la demanda que se debe satisfacer. Los tamaños óptimos de ambas fuentes de potencia dependerán, lógicamente, de la aplicación en estudio

Configuraciones de sistemas híbridos basados en pilas de combustible En este apartado se des-

cribirán las conguraciones más habituales que se pueden presentar en un sistema híbrido compuesto por pila de combustible y banco de baterías, indicando sus ventajas e inconve- nientes. Por lo general, la tensión de la pila de combustible es inferior a la tensión de entrada del inversor, por lo que se requiere un convertidor para elevar dicha tensión.

En la gura 2.17 se muestran cuatro conguraciones [Jiang y Fahimi, 2010]. En la con- guración A, ambas fuentes de potencia están conectadas en paralelo al bus CC de baja tensión. En la conguración B, el banco de baterías se conecta al bus CC de alta tensión. En la estructura C la salida de la pila de combustible está conectada directamente al inversor, mientras que el banco de baterías se conecta a este bus mediante un convertidor. Por último, en la estructura D ambas fuentes de potencia están conectadas al bus CC de alta tensión mediante convertidores. Las diferencias entre las conguraciones se encuentran en aspectos

como la dinámica del sistema, la gestión de la potencia y el coste. La estructura A tiene como desventaja que no permite gestionar la distribución de potencias entre las dos fuentes, lo que impide optimizar el funcionamiento, y que el convertidor CC/CC debe procesar toda la potencia. En cambio, la estructura B sí permite controlar el reparto de potencia. Ambas estructuras establecen una tensión relativamente constante en el bus CC lo que permite una reacción instantánea a transitorios en la demanda de la carga. Sin embargo, existe menos exibilidad cuando se selecciona el tamaño del banco de baterías, pues su tensión debe co- incidir con la tensión de la pila de combustible en el primer caso, y con la tensión del bus CC de alta tensión en el segundo. Esto puede llevar a sistemas más costosos. La estructura C evita la limitación anterior, otorga más control a los procesos de recarga y descarga de la batería, pero sólo es aplicable cuando la tensión de entrada del inversor es similar a la ten- sión de la pila. Para tensiones superiores a la salida del inversor, por ejemplo 220 VA, habría que colocar otro convertidor que subiera la tensión del bus CC. Por último, las ventajas de la conguración D son las siguientes: 1) mayor exibilidad en la selección de la tensión del banco de baterías, 2) buen control de los procesos de recarga y descarga de la batería y de la potencia generada por la pila, y 3) eliminación de interacciones innecesarias entre la pila y el banco de baterías. Como contrapartida, la tensión del banco de baterías no ja la tensión del bus CC, sino que en éste se conectan las salidas de los dos convertidores, lo que conduce a una respuesta dinámica peor que debe ser superada mediante un diseño más dicultoso de los sistemas de control.

Los modos de operación que se pueden ejecutar en un sistema híbrido compuesto por pila de combustible y banco de baterías se indican en la gura 2.18 y se describen a continuación: 1. En el modo A el banco de baterías se hace cargo de la demanda eléctrica mientras la

pila de combustible lleva a cabo el arranque en frío.

2. En el modo B la pila de combustible suministra potencia tanto para la carga como para la recarga de las baterías.

3. En el modo C ambas fuentes de potencia suministran energía a la carga.

4. En el modo D sólo la pila satisface la demanda de potencia puesto que el banco de baterías se encuentra descargado.

Aunque se ha supuesto un banco de baterías como sistema de almacenamiento, los mismos modos son aplicables a un banco de ultracondensadores. Por otra parte, los sistemas híbridos

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Figura 2.17: Diferentes conguraciones de sistemas híbridos compuestos por pila de combustible y banco de baterías

Figura 2.18: Modos de operación de un sistema híbrido compuestos por pila de combustible y banco de baterías

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basados en pilas de combustible también son de aplicación en sistemas de propulsión para vehículos, por lo que también aparecería un nuevo modo de funcionamiento en el que la frenada regenerativa llevaría a cabo la recarga del sistema de almacenamiento.

También es interesante contemplar la posibilidad de emplear simultáneamente un banco de baterías y un banco de ultracondensadores como elementos almacenadores de energía [Ferreira et al., 2008]. Las ventajas de los ultracondensadores respecto a las baterías son las siguientes: 1) mayor potencia especíca, 2) mayor eciencia, y 3) mayor resistencia al ciclado. Por el contrario, sus desventajas en relación a las baterías son: 1) menor energía especíca, y 2) mayor coste. En consecuencia, una combinación de ambas fuentes de potencia permite superar las desventajas de cada una por separado.

Estrategias de gestión de la energía en sistemas híbridos basados en pila de combustible

La existencia de más de una fuente de potencia plantea la posibilidad de poder elegir en qué forma se va a realizar la distribución de potencia en el sistema híbrido. El sistema de control dispondrá de un nivel superior que es el encargado de generar las consignas de potencia para llevar a cabo el reparto de potencia. Por otro lado, los controladores locales recibirán estas consignas y actuarán sobre los transistores de los convertidores CC/CC que conectan las fuentes de potencia con el bus CC de manera que, efectivamente, la distribución de potencia establecida se lleve a cabo.

Cuando se plantea la estrategia de control en un sistema híbrido basado en pila de com- bustible se deben contemplar los siguientes objetivos:

1. Ofrecer una respuesta dinámica suciente para la aplicación en estudio. Por ejemplo, para el caso de un vehículo, el sistema de propulsión debe satisfacer las aceleraciones que demande el usuario.

2. Minimizar el consumo de hidrógeno. En la curva característica de una pila de com- bustible el punto de máxima potencia está alejado del de máxima eciencia (mínimo consumo de hidrógeno).

3. Mantener el estado de carga de los elementos almacenadores de energía. Se debe evitar que los elementos almacenadores de energía pierdan una cantidad importante de energía de manera que en todo momento estén preparados para satisfacer un aumento de demanda. Por tanto, la pila de combustible se encargará de recargar el sistema de

almacenamiento en los instantes en que la demanda sea pequeña. En los sistemas de propulsión, el objetivo no es recargar completamente el sistema de almacenamiento sino proveer un espacio para la energía recuperada gracias a las frenadas regenerativas. 4. Respetar los límites de funcionamiento de las distintas fuentes de potencia con objeto de alargar su vida útil. Para una pila de combustible existe un valor máximo para la potencia y un límite para las variaciones de la corriente. En la batería se consideran unos valores para los estados de carga máximo y mínimo, y ciertos límites para la corriente de carga y descarga. El tratamiento de los ultracondensadores suele ser similar. Es obvio que los objetivos 2 y 3 son contrarios. Es decir, un funcionamiento de la pila de combustible en máxima eciencia supone una potencia generada de baja intensidad, y por tanto, una mayor probabilidad de que el estado de carga de la unidad de almacenamiento se encuentre en valores demasiado bajos. Con lo cual se debe llegar a un compromiso entre ambos objetivos.

A continuación se comentarán algunos aspectos de control a nivel bajo. En el caso en el que el sistema de almacenamiento se conecte directamente con el bus CC, por ejemplo la conguración B de la gura 2.17, la tensión del bus queda jada por dicho sistema y éste puede responder instantáneamente a cambios en la demanda. En este caso, el convertidor de la pila de combustible estaría controlado en corriente lo que permite regular la potencia generada por esta fuente. Si no existiera ningún otro elemento almacenador, la distribución de potencia quedaría establecida únicamente con la consigna para la potencia de la pila. Si otro elemento almacenador de energía estuviera instalado, el control de la corriente que circula por su convertidor CC/CC asociado terminaría de establecer el reparto de potencia. Cuando todas las fuentes de potencia se conectan al bus CC mediante un convertidor CC/CC, uno de estos, usualmente el asociado a la fuente de potencia de mejor respuesta dinámica, estará regulado para mantener la tensión en el bus, mientras que el resto de convertidores estarán regulados en corriente, estableciendo la distribución de potencia.

En la literatura se pueden encontrar una gran cantidad de trabajos referentes a la estrategia de gestión de la energía de sistemas híbridos basados en pila de combustible. Se podrían clasicar estas estrategias en dos grandes grupos [Liu et al., 2008]: 1) aquellas que emplean reglas o métodos heurísticos sin considerar el modelo dinámico de los elementos, y 2) aquellas que se basan en técnicas de optimización. Las primeras tienen como desventaja que ofrecen soluciones lejanas a la óptima. No obstante, las basadas en técnicas de optimización tienen