C
ENTRO DEI
NVESTIGACIÓN ENC
OMPUTACIÓNS
ECRETARÍA DEI
NVESTIGACIÓN YP
OSGRADOD
ISEÑO DE UN SISTEMA EMBEBIDO PARA EL CONTROL EN TIEMPO REAL,
DE UN CONVERTIDOR ELEVADOR ALIMENTADO POR UNA CELDA DE COMBUSTIBLE
T E S I S
Que para obtener el grado de:
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE CÓMPUTO CON OPCIÓN EN SISTEMAS DIGITALES
P R E S E N T A
ING. JOSÉ LUIS DÍAZ BERNABÉ
Directores de Tesis:
Dr. Carlos Aguilar Ibañez
Dr. Domingo de Jesús Cortés Rodríguez
México D.F. a 30 de Noviembre de 2009
SIP-14
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
SECRETARIA DE INVESTIGACiÓN Y POSGRADO
ACTA DE REVISIÓN DE TESIS
En la Ciudad de México, D.F. siendo las 11:00 horas del día
~
del mes de noviembre de 2009 se reunieron los miembrosde la Comisión Revisorade Tesis designada por el Colegio de Profesores de Estudios de Posgradoe Investigacióndel:Centro de Investigación en Computación para examinar la tesis de grado titulada:
"DISEÑO DE UN SISTEMA EMBEBIDO PARA EL CONTROL EN TIEMPO REAL DE UN CONVERTIDOR ELEVADOR ALIMENTADO POR UNA CELDA DE COMBUSTIBLE"
DíAZ BERNABÉ
Apellido paterno materno
Con registro: 8 O 7 1 2 7 3
aspirante al grado de: MAESTRíA EN CIENCIAS EN INGENIERíA DE CÓMPUTO CON OPCIÓN EN SISTEMAS DIGITALES
Después de intercambiar opiniones los miembros de la Comisión manifestaron SU APROBACIÓN DE LA TESIS, en virtud de que satisface los requisitos señalados por las disposiciones reglamentarias vigentes.
LA COMISiÓN REVISORA
Presidente Secretario
Dr. José de Jesús Medel Juárez Primer vocal
(Director de tesis) Segundo vocal
(Directorde tesis)
L
Dr. Domingo de Jesús Cortés RodríguezTercer vocal
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f/1VL
~
.
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..
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1
SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO
CARTA CESION DE DERECHOS
En la Ciudad de MÉXICO D.F. el día
2iL
del mes NOVIEMBRE del año 2009, el (la) que suscribe ING. JOSÉ LUIS DÍAZ BERNABÉ alumno (a) del Programa de MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE CÓMPUTO CON OPCIÓN EN SISTEMAS DIGITALES con número de registro B071273, adscrito a LABORATORIO DE AUTOMA TIZACIÓN , manifiesta que es autor (a) intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección de DR. CARLOS AGUILAR IBAÑEZ y DR. DOMINGO DE JESÚS CORTÉS RODRIGUEZ y cede los derechos del trabajo intitulado DISEÑO DE UN SISTEMA EMBEBIDO PARA EL CONTROL EN TIEMPO REAL DE UN CONVERTIDOR ELEVADOR ALIMENTADO POR UNA CELDA DE COMBUSTIBLE al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación.Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección [email protected]. Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
Nombre y firma
Resumen
La celda de combustible es una fuente de energ´ıa limpia, porque no genera contaminaci´on ambi- ental, como otras fuentes de energ´ıa convencionales que utilizan combustibles derivados del petr´oleo.
La celda de combustible es una fuente de voltaje sensible a la carga, es decir el voltaje de salida cam- bia dependiendo de la carga en una proporci´on 2 a 1, sin carga y con carga. Es necesario implementar un dispositivo para acondicionar la energ´ıa generada a un valor nominal de voltaje y regularlo. En e´ste trabajo se desarrolla el dise˜no y construcci´on de un control no-lineal para el control de un con- vertidor elevador para una celda de combustible tipo PEMFC de 150W para acoplar una carga de 24 volts. Primero se eligi´o un convertidor boost de alta eficiencia para celdas de combustible. Se analiz´o el circuito mediante el uso de las leyes de kirchkoff para encontrar los modos de operaci´on y se deriv´o el modelo instant´aneo. La simulaci´on matem´atica del sistema se realiz´o con el progra- ma Mathlab Simulink y comportamiento del circuito de potencia se analiz´o en SPICE. La segunda parte fue elegir el tipo de controlador a utilizar. Seleccionamos un procesador digital de se˜nales dsp, adecuado para el manejo de convertidores de potencia y se dise˜n´o un sistema embebido para im- plementar la ley de control mediante el control digital directo. El rendimiento y la funcionalidad se midi´o al integrar una celda de combustible tipo PEM con el prototipo construido.
The fuel cell is a clean power source, because that’s no produce environmental pollution, as no the other power sources feeds oil fuel. But the fuel cell is a voltage source soft to load, because the output voltage change from 2 to 1 without load to full load. Now is necessary a conditioner device to make the energy situable for the load. This work developed the design and construction of no-lineal control for boost power converter situable for a 150 W PEMFC fuel cell to carry a 24 volts load. The first part was choose a high efficient power boost converter for fuel cells, the circuit analyzed by kirchoff laws gave the operation modes and meet the instantaneus model. The mathematical model simulation was carry by Mathlab Simulink and the power circuit behavior was watched in SPICE simulator. The second part was the choose of controller type. A no-lineal controller was the aim to developed the controller. We select a low cost digital signal processor situable for power conversion applications and We designed a embedded system to implement the control law throuhgt direct digital control.
The performance and functionality was measured by the integration made of a 150W fuel cell and the prototype.
Dedicatoria
A Jehov ´a Dios de los ej ´ercitos el ´unico y sabio Dios: todo honor, honra y gloria por siempre. A Jesucristo el primog ´enito, el deseado de las naciones, el heredero del reino, el hacedor y sustentador del mundo, porque su palabra es la luz de los hombres, y por qui ´en tenemos la salvaci ´on, la redenci ´on y la vida.
A mi esposa Damaris por su amor, comprensi ´on y apoyo incondicional que he recibido de ella durante ´estos estudios. A mis tres hijos: Jaser, Amisadai y Jos ´e que son el don m ´as lindo que Dios me entregado. Por su tiempo y comprensi ´on ´este trabajo es para ustedes.
A mis Padres Herminia Bernab ´e L ´opez y Jos ´e Ambrosio D´ıaz Cervantes†, porque fueron el instrumento que Dios uso para darme la vida, el sostenimiento y la instrucci ´on en los primeros a ˜nos de mi vida.
A M ´exico por ser una naci ´on de Libertad y para su poblaci ´on conozca y alcance la Verdad y la Justicia, por medio de Jesucristo.
Quiero agradecer al Ing. Francisco Elias Martinez de la secci´on de Comunicaciones del Cinvestav por la manufactura de las placas de circuito impreso. Quiero agradecer Dr. Omar Solorza Feria y a su grupo de investigaci´on, en especial al Ing. Andr´es Castellanos Huerta y al Ing. Sebasti´an Scital´an por la facilitaci´on de la celda de combustible.
Quiero agradecer a los miembros de mi comit´e tutorial: Dra. Elsa Rubio Espino, Dr. Jos´e de Jes´us Medel Juarez, Dr. Marco Antonio Salinas Ram´ırez, Dr. Omar Solorza Feria, por sus comentarios y sugerencias para la conclusi´on de este trabajo. Quiero agradecer a Dr. Carlos Aguilar Iba˜nez y Dr.
Domingo de Jes´us Cort´es Rodr´ıguez por el tiempo y dedicaci´on para la direcci´on de ´este trabajo de tesis.
Agradesco a mis compa˜neros de la Maestria en Ingenier´ıa de C´omputo con opci´on en Sistemas digitales de la generaci´on B07, por haber compartido con ellos momentos y experiencias de la vida acad´emica durante ´estos dos ´ultimos a˜nos.
Agradesco al Insitituo Polit´ecnico Nacional por apoyar con sus instalaciones y est´ımulos econ´omi- cos, la finalizaci´on de ´este trabajo.
´Indice general
1. Introducci´on 1
1.1. Planteamiento del problema . . . 1
1.2. Justificaci´on . . . 4
1.3. Objetivos . . . 9
1.4. Metas propuestas . . . 9
1.5. Organizaci´on del trabajo . . . 10
2. Marco te´orico 12 2.1. Sistemas con celdas de combustible . . . 12
2.2. Sistemas embebidos de tiempo-real . . . 14
2.2.1. Sistemas en tiempo real . . . 14
2.2.2. Sistemas embebidos . . . 16
2.3. Celdas de combustible . . . 21
2.3.1. Principio de operaci´on . . . 22
2.3.2. Tipos de Celdas de Combustible . . . 23
2.3.3. Aplicaciones . . . 24
2.4. Convertidores de potencia . . . 25
2.4.1. Convertidores b´asicos . . . 27
2.4.2. Modelaci´on y simulaci´on de convertidores . . . 28
2.4.3. Control de convertidores . . . 30
3. Selecci´on, dise ˜no y construcci´on del convertidor de potencia 32 3.1. Selecci´on del convertidor de potencia . . . 32
3.1.1. Requerimientos del convertidor de potencia . . . 32
3.1.2. Soluciones exploradas . . . 34
3.2. Modelo din´amico de convertidor boost interpolado . . . 37
3.2.1. Anal´ısis del convertidor boost interpolado . . . 37
3.2.2. Modelo instant´aneo . . . 39
3.2.3. Modelo promedio . . . 42
3.2.4. Modelo lineal . . . 43
3.3. Construcci´on del convertidor interpolado . . . 50
3.3.1. Introducci´on . . . 50
3.3.2. Etapa de potencia . . . 50
4. Selecci´on, dise ˜no y construcci´on del sistema embebido 53 4.1. Requerimientos del sistema embebido . . . 53
4.2. Arquitecturas Estudiadas . . . 55
4.2.1. Plataformas de CPU . . . 55
4.2.2. Procesadores estudiados . . . 55
4.3. Arquitectura de implementaci´on . . . 57
4.3.1. M´odulo PWM . . . 57
4.3.2. M´odulo ADC . . . 58
4.4. Dise˜no del sistema embebido . . . 60
4.4.1. Interfaz de instrumentaci´on . . . 60
4.4.2. Etapa de control . . . 62
5. Selecci´on, dise ˜no y programaci´on del control 65 5.1. Selecci´on de la estrateg´ıa de Control . . . 65
5.1.1. Introducci´on . . . 65
5.1.2. Control pid . . . 66
5.1.3. Control en modos deslizantes (smc) . . . 66
5.1.4. Simulaci´on de los controles estudiados . . . 68
5.2. Modelo computacional . . . 75
5.2.1. Requerimientos funcionales . . . 75
5.2.2. Requerimientos de sincronizaci´on . . . 77
5.3. Algoritmo de control implementado . . . 80
6. Resultados Obtenidos 83 6.1. Pruebas el´ectricas realizadas . . . 83
6.2. Prototipos construidos . . . 84
6.2.1. Se˜nales de control . . . 84
6.2.2. Respuesta en lazo abierto . . . 86
6.2.3. Respuesta al transitorio . . . 87
6.3. Integraci´on celda-convertidor-carga . . . 88
6.3.1. Alimentaci´on de una computadora port´atil . . . 88
´INDICE GENERAL
6.3.2. Alimentaci´on de un motor de 150W . . . 92
7. Conclusiones y trabajo a futuro 93
7.1. Conclusiones alcanzadas . . . 93 7.2. Trabajo a futuro . . . 94
A. Programaci´on del PWM 95
B. Programaci´on del ADC 97
Glosario 100
Bibliograf´ıa 106
1.1. Consumo de energ´ıa en USA . . . 5
1.2. Demanda de petr´oleo mundial . . . 5
1.3. Producci´on futura de petr´oleo . . . 6
1.4. Celdas de combutible tipo PEMFC construidas en M´exico . . . 7
2.1. Sistema alimentado con celdas de combustible . . . 12
2.2. Sistema potencia distribuido alimentado con celdas de combustible . . . 14
2.3. Sistema en tiempo real . . . 15
2.4. Retardo y Jitter . . . 16
2.5. Modelo Anal´ıtico. Diagrama a bloques del modelo de un p´endulo invertido controla- do por un controlador discreto . . . 18
2.6. Modelo Computacional. Diagrama de estados . . . 19
2.7. Sistemas embebidos de tiempo real . . . 21
2.8. Principio de operaci´on de una celda de combutible . . . 23
2.9. Ensamble de una celda tipo PEM . . . 24
2.10. Convertidor de potencia . . . 26
2.11. Se˜nal de control de un convertidor DC-DC . . . 27
2.12. Convertidores DC-DC b´asicos . . . 29
2.13. Transitorio. El ciclo de utilidad cambia de d = 0.5 a d = 0.6 . . . 30
3.1. Convertidor de potencia para una celda de combustible . . . 32
3.2. Diagrama de fase de FCPEM de 175 W . . . 33
3.3. Convertidor de potencia paralelo . . . 35
3.4. Convertidor boost interpolado de dos celulas . . . 37
3.5. Se˜nales de control del convertidor boost n = 2 . . . 38
3.6. Circuitos equivalentes para u > 0.5 del convertidor boost interpolado . . . 39
3.7. Circuitos equivalentes para u < 0.5 del convertidor boost interpolado . . . 41
3.8. Simulaci´on del circuito de potencia en LTspiceIV. . . 48
´INDICE DE FIGURAS
3.9. Simulaci´on del modelo conmutado (3.11). . . 49
3.10. Diagrama a bloques de los circuitos a construir . . . 50
3.11. Convertidor boost interpolado de dos celulas . . . 51
3.12. Se˜nales complementarias con tiempo muerto agregado . . . 51
4.1. Diagrama a bloques de un dsPIC30F2020 . . . 57
4.2. Circuito de acondicionamiento de se˜nal . . . 61
4.3. Circuito de disparo de los transistores de potencia . . . 62
4.4. Circuito de control . . . 63
5.1. Simulaci´on de un control PID sobre z3 . . . 69
5.2. Simulaci´on SMC con referencia de corriente directa . . . 70
5.3. Simulaci´on SMC con referencia de corriente indirecta, z2→ z1 . . . 71
5.4. Simulaci´on SMC con referencia de corriente indirecta independiente . . . 72
5.5. Simulaci´on SMC con referencias independientes modificado . . . 73
5.6. Funci´on de transferencia para vL1, vL2, vin,Z3 . . . 75
5.7. Simulaci´on del sistema de potencia usando SimPowerSystems . . . 76
5.8. Modos de operaci´on del control del convertidor ibc . . . 77
5.9. Sistema de control del convertidor ibc . . . 78
5.10. Gr´afica de ejecuci´on de las tareas del software de control . . . 79
5.11. Diagrama de flujo del programa implementado . . . 81
6.1. Prototipo construido de 150W . . . 85
6.2. Generaci´on de las se˜nales de control . . . 86
6.3. Se˜nales de control y respuesta en lazo abierto . . . 87
6.4. Respuesta del sistema al transitorio . . . 89
6.5. Prototipo 1 . . . 90
6.6. Sistema de potencia continuo con celdas de combustible . . . 91
6.7. Acoplamiento de una celda PEMFC a una computadora port´atil . . . 92
2.1. Tipos de celdas de combustible y electrol´ıtos . . . 23
2.2. Aplicaciones de las celdas de combustible . . . 25
2.3. Clasificaci´on de convertidores de acuerdo a la relaci´on entrada-salida . . . 27
2.4. Comparaci´on de algunos controles no-lineales para convertidores DC-DC . . . 31
3.1. Resumen de los convertidores estudiados . . . 37
3.2. Estados de conmutaci´on, n = 2 . . . 39
4.1. Microcontroladores m´as populares . . . 56
4.2. Caracter´ısticas principales del dspic30f2020 . . . 58
4.3. Caracter´ısticas del m´odulo PWM . . . 58
4.4. Registros de control y configuraci´on del m´odulo PWM . . . 59
4.5. Caracter´ısticas del m´odulo ADC . . . 59
4.6. Registros de configuraci´on y control del m´odulo ADC . . . 59
5.1. Descripci´on de tareas del software de control . . . 77
5.2. Funciones del software de control implementado . . . 80
5.3. Procesos del software implementado . . . 80
6.1. Par´ametros del convertidor . . . 86
6.2. Par´ametros del convertidor . . . 87
6.3. Par´ametros del convertidor . . . 90
Cap´ıtulo 1 Introducci´on
1.1. Planteamiento del problema
Las celdas de combustible son conocidas como una tecnolog´ıa de vanguardia. Pero en realidad su tecnolog´ıa b´asica apareci´o hace m´as de 160 a˜nos, 40 a˜nos antes de la invenci´on la actual m´aquina de combusti´on interna. La exploraci´on espacial fue la primera aplicaci´on pr´actica de las celdas de combustible, a principios de 1960. La celda de combustible es como un tipo de bater´ıa que produce potencia el´ectrica. Las bater´ıas convencionales generan potencia a partir de los qu´ımicos almace- nados. En contraste la energ´ıa qu´ımica en forma de un combustible se alimenta a la celda, y gen- era potencia el´ectrica en tanto est´e recibiendo combustible y ox´ıgeno del aire. El combustible ideal para las celdas de combustible es el hidr´ogeno. Las celdas de combustible trabajan al combinar el hidr´ogeno y el ox´ıgeno del aire en un proceso electroqu´ımico que es limpio, silencioso y sin ex- plosiones. Nada adicional se produce solo la potencia el´ectrica y agua pura y destilada, junto con un poco de calor que puede ser reutilizado [1]. La celda de combustible tiene mayor eficiencia que una m´aquina de combusti´on interna funcionando con gasolina - rigurosamente 2.5 veces m´as. La red el´ectrica en Estados Unidos de Norteam´erica convierte del 33 % al 35 % en promedio la energ´ıa del combustible (petr´oleo), en electricidad y desperdicia la mayor´ıa del calor producido durante la gen- eraci´on de potencia. En contrastre las celdas de combustible capturan del 40 % al 50 % de la energ´ıa del hidr´ogeno y la convierte a electricidad. Otra ventaja de las celdas de combustible es que tienen un dise ˜no modular, de tal forma que es realitivamente f´acil de conectar varias celdas de combustible para obtener mayor potencia como sea necesario. En resumen se enumeran algunas ventajas de las celdas de combustible:
1. No producen contaminaci´on ambiental
2. Alta eficiencia en la generaci´on de energ´ıa el´ectrica
3. Diversidad de combustibles (gas natural, gas LP, methanol, etc.) 4. Reutilizaci´on del calor generado
5. Modularidad y f´acil instalaci´on
La celda de combustible puede aceptar varios tipos de combustible hidrocarbonados, los cuales son re-formados para producir el hidr´ogeno necesario en forma f´acil, antes de ser utilizado. Las celdas de combustible son de mayor tama˜no que las bater´ıas y tienen atributos que las hacen ideales como fuentes de potencia el´ectrica. Sin embargo a pesar de tener altas calificaciones como fuente de potencia el´ectrica, las celdas de combustible tienes algunas desventajas como las que se enumeran a continuaci´on:
1. La salida de Voltaje var´ıa con la carga y con el envegecimiento 2. Tiene una capacidad limitada a la sobre-carga
3. Tiene una respuesta lenta a un cambio en la carga, si el suministro de combustible es ajustado para una mejor eficiencia
4. No absorben ninguna potencia y puede no aceptar ning´un rizo.
5. En algunas tecnolog´ıas son lentas en el arranque.
Para situar la celda de combustible en una fuente de potencia real es necesario dise ˜nar un sistema de acondicionamiento de potencia para acoplar el voltaje de salida con otros dispositivos (cargas). A menos que existan medios eficientes para convertir el voltaje de salida, el potencial de la celda de combustible no se podr´a observar . Esto quiere decir que se require de una etapa de conversi´on de potencia en la salida de la celda de combustible.
Las celdas de combustible son consideradas como fuentes de voltaje suaves ´o sensibles, debido a que el voltaje de salida tiene una naturaleza dependiente de la carga. El voltaje de salida de un stack t´ıpico de celdas de combustibles, experimenta una variaci´on de 2 a 1 sin carga y con plena carga [2].
Cada celda en un stack de celdas de combustible tiene un voltaje de salida bajo: 0.5V a 0.7 Volts (V ), por lo tanto se hace necesario juntar varias celdas en serie para obtener un voltaje de salida razonable. A´un as´ı, el voltaje generado por un stack de celdas de combustible es bajo en magnitud, por ejemplo: para un stack de 5 KW es ∼< 60 V, y para un stack de 50 Watts es de ∼< 12 V. Depen- diendo de la carga a conectar, se require en primera instancia dise ˜nar un convertidor dc-dc elevador, que acepte una amplio rango de voltaje de entrada, para elevar y regular un voltaje mayor. El con- vertidor elevador debe tener una din´amica muy r´apida para elevar el voltaje, de modo que responda
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
m´as r´apidamente a las variaciones de la carga, que la celda de combustible; y debe ser eficiente en el proceso de conversi´on para evitar grandes p´erdidas. Aunque no existen convertidores ideales, se deben obtener eficiencias superiores al 85 % ,de tal modo que se pueda decir que la potencia entre- gada por la celda es la potencia que se recibe en la carga.
Funcionalmente hablando, los convertidores de potencia contienen dos bloques principales: una etapa de potencia y una etapa de control. Para la etapa de potencia se utilizan las ecuaciones de dise˜no del sistema deacuerdo a los requerimientos de corriente, voltaje, frecuencia de conmutaci´on, rizo, etc. a manejar. El control es necesario para alcanzar y mantener los requerimientos de potencia que se necesitan en la carga. El control cl´asico PID ha sido ampliamente estudiado y utilizado.
Las constantes de control son necesarias para ser ajustadas en funci´on del proceso a controlar y permanecen sin cambios durante su actividad. Una t´ecnica de control m´as moderna implica derivar un control del modelo no-lineal del convertidor. Los esquemas de control no-lineales han sido estudiados recientemente y ofrecen una respuesta r´apida a las variaciones de la carga y a las variaciones del voltaje de entrada. El control debe ser capaz tambi´en de mantener el nivel de la potencia demandada dentro de los l´ımites permitidos por la celda de combustible. Es decir el control debe impedir que se rebase la potencia disponible de la celda de combustible.
Una t´ecnica muy usual de implementar el control de convertidores de potencia ha sido por mucho tiempo el uso de circuitos integrados anal´ogicos. Las mayores desventajas de un control anal´ogico son: su poca flexibilidad para realizar un cambio de alg´un par´ametro del control, su extrema sensi- bilidad al ruido y a las variaciones de los componentes debido a la acci´on de conmutaci´on y al ruido generado por el voltaje y la corriente de salida. Recientemente, con la amplia disponibilidad y la f´acil adquisici´on en el mercado de microcontroladores y procesadores m´as potentes, los sistemas de control digital han abierto nuevas posibilidades y han encontrado su nicho en aplicaciones de control de convertidores, como por ejemplo el controlador-cargador de las bater´ıas de nickel-hidr´ogeno en los sistemas satelitales. El control digital es realizable a trav´es de convertidores anal´ogicos-digital (ADC), que digitaliza muestras del voltaje y corriente del convertidor; y de lineas I/O para mane- jar los dispositivos de conmutaci´on del convertidor. La informaci´on obtenida se procesa usando un algoritmo de control digital. Algunas ventajas del control digital son:
1. Son menos sensibles al envejecimiento de los componentes y a variaciones del ambiente 2. Son menos sensibles al ruido
3. Cambiar el control no require cambiar el hardware
Entre algunas desventajas del control digital se pueden mencionar: 1) existen tiempos de retardo en el lazo de control debido a los c´alculos del algoritmo de control hechos por el procesador y 2) la
resoluci´on de la se˜nal muestreada es finita debido al ancho de la palabra del procesador digital.
Los convertidores de potencia pueden ser tratados como sistemas en tiempo real, ya que su estado puede cambiar en cualquier momento. El sistema est´a altamente expuesto a recibir perturbaciones en cualquier instante y de cualquier tipo. Entre algunas perturbaciones se mencionan las variaciones en el suministro de energ´ıa de la fuente y las variaciones en los requerimientos en la carga. Tambi´en se mencionan la din´amica altamente no-lineal de los componentes electr´onicos tal como los inductores y los interruptores que forman el sistema.
Estado del Arte
Aunque actualmente existe un extenso desarrollo de convertidores de potencia, entre los cuales algunos se han proupesto para usarse con celdas de combustibles, se requiere m´as investigaci´on en el ´area para desarrollar un dispositivo que cumpla con todos los requerimientos. Existen trabajos reportados donde la aplicaci´on final dirige el tipo de convertidor a utilizar. En [2, 3] se propone un convertidor Boost b´asico para acoplar una celda de combustible comercial de 50W con una com- putadora port´atil. En [4], se propone una topolog´ıa serie con dos convertidores boost multinivel y un inversor, para acoplar un celda de combustible de 10 kW y obtener 120 volts AC para conectar diversas cargas en una aplicaci´on dom´estica-residencial. En [5] se presenta un convertidor boost mul- tinivel conectado en paralelo con un convertidor buck-boost en aplicaciones para acoplar un celda de combustible menor de 1KW. En estos trabajos reportados se expone el funcionamiento de los con- vertidores, bajo condiciones est´aticas de la carga, pero sus alcances se limitan a utilizar una t´ecnica de control lineal. Un control no-lineal es un esquema de control que podr´ıa mejorar el rendimiento del sistema bajo condiciones din´amicas de la carga.
1.2. Justificaci´on
Conforme m´as pa´ıses ratifican el protocolo de kioto, apuntando a reducir la emisi´on de gases de tipo invernadero producidos por la quema de combustibles f´osiles, junto con otros factores como los constantes incrementos en el precio del petr´oleo, se ha creado la necesidad de la producci´on de energ´ıa l´ımpia, usando combustibles con menos carbono, con mayor densidad energ´etica, aumen- tando el uso de fuentes de energ´ıa renovables e impulsando las celdas de combustible como sistema energ´etico del futuro.
1.2. JUSTIFICACI ´ON
Figura 1.1.- Consumo de energ´ıa en USA Figura 1.2.- Demanda de petr´oleo mundial
Consumo y demanda de petr´oleo
Existe la tendencia mundial en todos los pa´ıses industrializados, en reducir el consumo (gasto) de energ´ıa por unidad econ´omica desde 1970. Como por ejemplo las f´abricas y comercios del mundo usan ahora mucho menos ener´gia para producir la misma cantidad de productos y servicios. Este cambio es producido entre otros factores, porque los actuales sistemas tecnol´ogicos de producci´on son m´as eficientes que los sistemas que fueron dise˜nados hace m´as de 30 a˜nos. Otro ejemplo son las viviendas actuales, ya que cuentan con la posibilidad de usar l´amparas ahorradoras de energ´ıa, los electrodom´esticos son m´as peque˜nos y m´as eficientes, y la electr´onica de consumo para el entreten- imiento y las comunicaciones en el hogar se han perfilado hacia la miniaturizaci´on y al ahorro de energ´ıa. En la figura 1.1, se muestra como ejemplo el consumo de energ´ıa en Estados Unidos, donde se puede ver una reducci´on dr´astica de al menos un 50 % en el consumo de energ´ıa, desde 1970 a 2002. Por otro lado la demanda de petr´oleo est´a creciendo r´apidamente tanto en naciones industri- alizadas como en pa´ıses en desarrollo tanto en Asia, Sudam´erica y Africa, (figura 1.2). Entre varios factores que causan ´esta demanda, se menciona una creciente infraestructura de transporte, funcio- nando a base de hidrocarburos, en ciudades y poblaciones con crecimiento continuo. Se pron´ostica que en el a˜no 2025 el consumo de petr´oleo en China crecer´a a 4.8 % por cada a˜no y la India en 4.7 % por a˜no. En t´erminos de consumo global Asia contar´a con el 40 % de incremento en el 2025 (figura 1.2).
Cu´anto durar´a el petr´oleo?
Actualmente expertos cient´ıficos discuten acaloradamente hacerca de cuando ser´a el pico m´aximo en la producci´on mundial de petr´oleo y cuando se agotar´a en ´ultima instancia. Algunos anal´ıstas creen que ya se ha producido mucho m´as petr´oleo del pueda quedar, mientras otros proyectan el pico en los a˜nos 2030’s, 2040’s ´o m´as. Los expertos industriales caen en el grupo del pico inminente, que dicen que el mundo est´a ya, ´o muy cerca del nivel m´aximo en la producci´on de petr´oleo, y contienden
Figura 1.3.- Producci´on futura de petr´oleo
contra aquellos que creen que el crecimiento constante en las reservas retrasar´a el punto para alcanzar el pico. De acuerdo a los pron´osticos de la producci´on mundial de petr´oleo, el pico podr´ıa ocurrir no despu´es del 2016 (ver figura 1.3).
De ´estos dos anal´ısis se concluye en que el incremento en la demanda de petr´oleo en los prox- imos a˜nos, traer´a tambi´en un incremento en la contaminaci´on atmosf´erica mundial. Y que tambi´en est´a a la puerta una reducci´on inminente en la producci´on de petr´oleo. En muchos paises del mundo, asi como en M´exico, han existido ya campa˜nas gubernamentales para concientizar a la poblaci´on la reducir el consumo de energ´ıa y es probable que pronto existir´an organizaciones internacionales que luchar´an para reducir uso de hidrocarburos derivados del petr´oleo. Este escenario representa una oportunidad ´unica para el desarrollo y implementaci´on de nuevas formas de generaci´on de potencia.
La generaci´on distribuida normalmente usa fuentes de energ´ıa amigables con el ambiente como cel- das de combustible, paneles solares, aerogeneradores y microplantas hidroel´ectricas para producir electricidad. Las celdas de combustible se han considerado como una fuente primaria de energ´ıa en la siguiente generaci´on: Generaci´on distribuida de potencia, porque son altamente eficientes, limpias y modulares. Las tambi´en se han desarrollado notablemente para la industria del transporte, y se proyectan para que en el futuro pr´oximo un sistema celda-convertidor-controlador- motor pueda llegar a sustituir a los motores de combusti´on interna.
En M´exico existe un grupo de investigaci´on que ha investigado, dise˜nado y construido celdas de combustible con membrana de intercambio prot´onico (PEMFC), utilizando nuevos materiales catalizadores a base de una matriz RuxCrySez y otros compuestos [6, 7]. Los stacks de celdas de
1.2. JUSTIFICACI ´ON
combustible construidos por este grupo de investigaci´on, han alcanzado potencias de 200 W, ideales para aplicaciones port´atiles [8, 9]. En la figura 1.4 se muestran diferentes prototipos dise˜nados y con- struidos en las instalaciones del grupo de electroqu´ımica del Cinvestav-IPN.
Figura 1.4.- Celdas de combutible tipo PEMFC construidas en M´exico
Como se plantea en la secci´on 1.1, la celda de combustible necesita de medios eficientes para convertir la potencia de salida, y situarla, en forma m´as funcional para su utilizaci´on. El estudio y construcci´on de las celdas de combustible y de su implementaci´on pr´actica a trav´es del uso de un convertidor de potencia, impulsar´a el desarrollo de ´areas estrat´egicas como educaci´on, comercio, tecnolog´ıa y energ´ıa:
Educaci´on: se desea que de m´as gente se involucre en temas de novedad tecnol´ogica.
Comercio: la energ´ıa siempre es muy importante para los pa´ıses. Sin energ´ıa no puede fun- cionar la industria, el comercio, los hospitales, escuelas, sem´aforos, etc. Un sistema de respaldo de energ´ıa a base celdas de combustible es necesario para apoyar este sector.
Independencia tecnol´ogica: se proyecta que en el futuro, toda celda de combustible en el mer- cado integrar´a como parte de sus componentes un convertidor de potencia. Aunque se puede importar tecnolog´ıa, ´esta se puede volver cara en el ´area de la energ´ıa, si no se cuenta con el conociemiento y experiencia en ´esta tecnolog´ıa.
Unidades de Microgeneraci´on: se puede iniciar la generaci´on de potencia distribuida en comu- nidades donde no exista la red el´ectrica nacional (CFE).
El convertidor interpolado ha sido estudiado en a˜nos recientes para varias aplicaciones como:
circuito para la correcci´on del factor de potencia, arreglos fotovoltaicos, sistemas con celdas de com- bustible, etc. Es una variaci´on del convertidor en paralelo y genera la potencia deseada aplicando la t´ecnica interpolada [10]. El convertidor interpolado ofrece varias ventajas sobre los convertidores
simples: un bajo rizo de corriente en los capacitores de entrada y salida, una respuesta r´apida al tran- sitorio debido a cambios en la carga, un mejor manejo de la potencia por a´rea, y eficiencias superiores al 80 % [11]. Los convertidores interpolados se usan en aplicaciones donde las cargas demandan un rizo peque˜no o con muy peque˜nas tolerancias [12].
Los sistemas embebidos son sistemas de c´omputo que contienen alta integraci´on de hardware y software. Los procesadores para sistemas embebidos son procesadores de prop´osito especial dise˜nados para una clase especial de aplicaciones. Algunos est´an enfocados hacia el ahorro del consumo de po- tencia, tama˜no y costo. Mientras otros est´an enfocados en el rendimiento. Y otros intentan de tener algo de las caracter´ısticas mencionadas, tal como el (DSP) usado en los telefonos celulares. Los DSP’s contienen perif´ericos, que realizan funciones especiales, dentro del mismo ecapsulado, lo que permite extender su utilizaci´on en aplicaciones ya clasificadas; tal como multimedios (procesar audio, video, etc.), comunicaciones y menejo de potencia (control de motores y convertidores de potencia), etc. Para desarrollar esta investigaci´on se seleccionar´a un DSP adecuado para aplicaciones de control de convertidores de potencia. En ´este DSP se desea alojar la programaci´on necesaria para manejar los perif´ericos (ADC y PWM) y para implementar la ley de control. Los convertidores de potencia que tienen un sistema embebido en la etapa de control tienen mayor flexibilidad para realizar mod- ificaciones al modelo funcional, y al momento de implementar el control. Cambiar la ley de control y afinar algunos de los requerimientos funcionales, es posible realizar, con un DSP sin cambiar el hardware funcional del sistema embebido.
En teor´ıa de control, el control por modos deslizantes es un tipo de control de estructura variable donde la din´amica de un sistema no lineal es alterado atrav´es de la aplicaci´on de un interrptor de alta frecuencia de conmutaci´on. Este es un esquema de control con retroalimentaci´on de estados donde la retroalimentaci´on no es una funci´on continua del tiempo. El control por modos delizantes posee caracter´ısticas que lo hacen conveniente para el control de convertidores electr´onicos de potencia.
Algunas caracter´ısticas son:
Son controles robustos
En el caso de los convertidores de potencia, la conmutaci´on de los interruptores se considera de manera directa en el anal´ısis.
La salida del control es equivalente al ciclo de trabajo de la se˜nal de control del convertidor.
1.3. OBJETIVOS
1.3. Objetivos
Objetivo general
Dise˜nar y construir un sistema embebido para controlar digitalmente un convertidor elevador de potencia, con el fin de acoplar una celda de combustible a cargas que requieren un voltaje regulado.
Objetivos particulares
Para obtener el objetivo final de ´esta investigaci´on, se proponen los siguientes objetivos particu- lares, en los que se divide ´este trabajo de investigaci´on:
Seleccionar, modelar y simular un convertidor elevador adecuado para usarse con celdas de combustibles.
Aplicar una t´ecnica de control no-lineal para convertidores de potencia y evaluar por medio de simulaci´on en computadora el algoritmo de control.
Programar el algoritmo de control en el sistema embebido seleccionado.
Dise˜nar y construir un prototipo, que contenga el circuito de potencia y el circuito del sistema embebido.
Integrar los elementos del sistema y probar su funcionamiento.
1.4. Metas propuestas
A trav´es de este trabajo se pretende alcanzar las siguientes metas:
Dise˜nar un sistema embebido basado en microprocesador o DSP, que ejecute los algoritmos de control para el convertidor de potencia
Construir un prototipo del sistema completo (digital y potencia) para una celda de combustible de 150W.
Programar y evaluar la eficiencia de dos algoritmos de control.
Documentar los resultados obtenidos para su publicaci´on en una revista de difusi´on nacional
Restricciones
Para el desarrollo de este trabajo se especifican las siguientes restricciones:
El control desarrollado no se extiende a controlar los par´ametros din´amicos de la celda de combustible, tal como temperatura, flujo de Hidr´ogeno, flujo de Oxigeno, y liberaci´on de pro- ductos.
La celda a utilizar es una celda de combustible de membrana de intercambio prot´onico.
La potencia entregada y el funcionamiento de la celda de combustible est´a garantizada.
1.5. Organizaci´on del trabajo
En el cap´ıtulo 2, empieza con la teor´ıa b´asica de los componentes que forman un sistema de potencia alimentado con celdas de combustible. En la segunda secci´on se introduce brevemente en la pr´actica del dise˜no de sistemas embebidos. En la tercera secci´on se exponen el funcionamiento y las aplicaciones de las celdas de combustible. En la cuarta secci´on se da una introducci´on en el estudio de convertidores de potencia y se resaltan algunos m´etodos modernos de control no-lineal de convertidores.
En el cap´ıtulo 3 se selecciona, modela y dise˜na el convertidor de potencia. En la primera secci´on se dan las guias para la selecci´on del convertidor de potencia a utilizar. Se analizan algunas solu- ciones exploradas como el convertidor multinivel, paralelo y el interpolado. En la segunda secci´on se dedica a encontrar el modelo matem´atico del convertidor interpolado mediante la aplicaci´on de la leyes de kirchoff. Se presenta una simulaci´on en lazo abierto del sistema en Matlab Simulink. Del mismo modo se realiza una simulaci´on del circuito de potencia en SPICE. En la tercera parte del cap´ıtulo se expone el dise˜no de convertidor de potencia. control.
En el cap´ıtulo 4 se dise˜na el sistema embebido para el control del convertidor. La primera sec- ci´on se da una introducci´on general de los procesador digital de se˜nales para sistemas embebidos disponibles en el mercado. En la segunda secci´on se selecciona el tipo de procesador a utilizar. En la tercera secci´on se presenta una introducci´on en la arquitectura compuesta del dspic30f2020. En la cuarta seeci´on se expone el dise˜no de los circuitos de control, intrumentaci´on y actuador que forman el sistema embebido.
En el cap´ıtulo 5 se selecciona, modela y dise˜na el algoritmo de control. En la primera secci´on se estudian varias leyes de control. Se empieza con un control proporcional-integral-derivativo actuan-
1.5. ORGANIZACI ´ON DEL TRABAJO
do sobre el modelo promedio obtenido en el cap´ıtulo 3. Despu´es se propone un control no-lineal en modos deslizantes. Se realizan varias simulaciones con diferentes versiones del modelo del control, hasta llegar a una simulaci´on del sistema completo usando el toolboox SIMPOWERSYSTEMS de Simulink. En la ´ultima simulaci´on se obtiene un mayor acercamiento al comportamiento del sistema dise˜nado al evaluar un transitorio en la carga.
En el cap´ıtulo 6 se presentan los resultados obtenidos de este trabajo. Se presenta en el orden seguido los prototipos construidos, las se˜nales de control obtenidas, una prueba del convertidor con la celda de combustible y una prueba de un transitorio medido. En el cap´ıtulo 7 se presentan las conclusiones de este trabajo y el trabajo futuro por realizar.
En este cap´ıtulo se present´o la problem´atica que existe en ´area de energ´ıa. La producci´on de hidrocarburos derivados del petr´oleo est´an muy cerca de entrar una pendiente de disminuci´on.
Las celdas de combustible son buenos dispositivos como fuentes de voltaje, no generan con- taminaci´on ambiental y son eficientes, pero sin embargo no pueden funcionar adecuadamente si no existe un convertidor de potencia de alta eficiencia que permita un f´acil acoplamiento con las cargas. Aunque han existido algunas soluciones ya exploradas no pueden cubrir los requerimientos de bajo costo y eficiencia. Con ´esta problem´atica planteada se abre un oportunidad para realizar mayor investigaci´on en este campo y buscar soluciones que sean econ´omicas y eficientes, en comparaci´on a las ya encontradas en la literatura.
Marco te´orico
2.1. Sistemas con celdas de combustible
Los principales componentes de un sistema de potencia alimentado con celdas de combustibles son:
La celda de combustible como fuente de energ´ıa el´ectrica.
Un convertidor de potencia, para suministrar la energ´ıa regulada.
Un dispositivo de almacenamiento de energ´ıa temporal.
Las cargas (motor, laptop, l´ampara, etc.).
C e l d a d e C o m b u s t i b l e
C o n v e r t i d o r d e P o t e n c i a
D C / D C
C a r g a s
D C - A C , m o t o r e s , l a m p a r a s ,
e t c . S u p e r c a p a c i t o r
Figura 2.1.- Sistema alimentado con celdas de combustible
La figura 2.1 es una representaci´on en bloques del sistema descrito. Se muestra que la celda de combustible es el principal proveedor de energ´ıa el´ectrica al sistema. La celda de combustible es un subsistema que agrupa varios elementos tal como los dep´ositos de combustible, los ductos de trans- porte del combustible hacia la celda, las bombas de inyecci´on, v´alvulas para la purga de productos
2.1. SISTEMAS CON CELDAS DE COMBUSTIBLE
(agua), etc. y un sistema de enfriamiento [8].
El bloque del convertidor de potencia tiene la funci´on de llevar el voltaje, proveniente de la celda de combustible, a una magnitud determinada y mantenerla. El convertidor de potencia se selecciona de acuerdo con la funci´on a utilizar (elevar, reducir, etc.); despu´es se seleccionan los componentes de la etapa de potencia de acuerdo a la potencia a manejar, y otros par´ametros como la frecuencia de conmutaci´on y el rizo generado en la salida. Otro aspecto muy importante durante la implementaci´on del convertidor, es seleccionar y guiar el dise˜no de la etapa de control, hacia los requerimientos planteados, tal como eficiencia, velocidad de respuesta, funcionalidad, etc. La etapa de control con- tiene una ley de control que se ejecuta tomando en cuenta el analis´ıs din´amico del convertidor elegido.
Aunque en sistemas de potencia con cargas est´aticas no es indispensable que exista un medio de almacenamiento temporal de energ´ıa, para otros sistemas si es necesario y muy conveniente.
Por ejemplo, en la industria automotriz, el sistema de propulsi´on del veh´ıculo el´ectrico, require una unidad de potencia auxilar(APU) [13]. Una APU a base supercapacitores, sirve para almacenar tem- poralmente toda la energ´ıa disponible, y aumentar asi la densidad de potencia. Con una mayor den- sidad de potencia a trav´es del uso de un buffer de energ´ıa, los pulsos de potencia demandados en el momento del arranque ´o en pendientes peque˜nas - topes -, pueden ser sostenidos y liberados al motor, para obtener un mejor funcionamiento . Los supercapacitores son un nuevo tipo de capacitores elec- trol´ıticos dise˜nados usando tecnolog´ıa de doble capa. Estos componentes son aptos para almacenar m´as energ´ıa que los capacitores normales, manteniendo la capacidad de filtrado a altos niveles de potencia.
Las cargas pueden ser: una l´ampara, un motor, otro convertidor DC-DC, ´o un inversor de potencia si se conectan cargas AC, etc. Si se conectan varios convertidores dc-dc o dc-ac antes de conectar una carga, se obtiene una topolog´ıa serie con celdas de combustible [14].
La figura 2.2 muestra un sistema de potencia de un veh´ıculo el´ectrico alimentado con celdas de combustible el cual se propone en [13]; algo similar se propone tambi´en en [15, 16]. El voltaje de la celda de combustible se eleva y regula a trav´es de un convertidor boost generando el bus de alto voltaje. Un sistema de respaldo a base de bater´ıas se conecta tambi´en al bus de alto voltaje. Cuando existan picos de corriente donde la celda no pueda soportar con r´apidez la demanda de potencia, el sistema de bater´ıas soporta esos requerimientos temporales de energ´ıa y amortigua los transitorios. El bus de alto voltaje distribuye la energ´ıa en las cargas finales a trav´es de varios convertidores potencia.
En la figura se muestran tres cargas t´ıpicas: un convertidor dc-dc solo, un convertidor dc-dc y un in- versor para alimentar cargas de AC, un inversor y un controlador para el control de un motor el´ectrico.
Figura 2.2.- Sistema potencia distribuido alimentado con celdas de combustible
En el resto de este cap´ıtulo se presenta los conceptos b´asicos referentes a los componentes que integran un sistema de potencia alimentado con celdas de combustible. En la secci´on 2.2 se presentan los conceptos b´asicos de los sistemas embebidos. En la seccion 2.3 se presenta con mayor detalle el funcionamiento de la celdas de combustible, y en la secci´on 2.4 se introduce la teor´ıa b´asica del estudio de los convertidores de potencia.
2.2. Sistemas embebidos de tiempo-real
2.2.1. Sistemas en tiempo real
Un sistema de c´omputo en tiempo real es un sistema en que la exactitud del comportamiento del sistema depende no solo de los resultados l´ogicos de los c´alculos, si no tambi´en del instante f´ısico en que los resultados se producen.
Un sistema de c´omputo en tiempo real es siempre parte de un sistema m´as grande - ´este sis- tema es llamado sistema de tiempo real. Un sistema en tiempo real cambia su estado como una funci´on del tiempo f´ısico, como por ejemplo, una reacci´on qu´ımica continua cambiando su estado incluso despu´es de que su sistema de control ha sido parado. Es razonable descomponer el sistema en tiempo real en un conjunto de subsistemas. La estructura de un sistema en tiempo real se mues- tra en la figura 2.3, existe al menos un objeto controlado, un sistema de computo en tiempo real
2.2. SISTEMAS EMBEBIDOS DE TIEMPO-REAL
y un operador humano. La interfaz hombre-m´aquina consiste de dispositivos de entrada tal como botones, teclados, etc. y dispositivos de salida como monitores, LCD displays, LED’s, etc. La in- terfaz de instrumentaci´on consiste de sensores y actuadores que transforman las se˜nales f´ısicas del objeto controlado en forma digital y viceversa. El sistema de c´omputo en tiempo real debe reaccionar a cualquier estimulo del objeto controlado dentro de intervalos de tiempo dictados por el ambiente.
El sistema de c´omputo representa un sistema de control que interact´ua con el objeto controlado de varias formas. Primero la interacci´on puede ser peri´odica, donde la comunicaci´on puede ser iniciada por el sistema de control hacia el sistema controlado. En este caso la comunicaci´on es predectible y ocurre a intervalos definidos. Segundo la interacci´on puede ser aperi´odica, donde la comunicaci´on es iniciada desde el sistema controlado. En este caso la comunicaci´on es impredectible y est´a deter- minada por las ocurrencias aleatorias de eventos externos en el ambiente del sistema controlado. El sistema de control debe procesar la informaci´on y responder a los eventos generados por el sistema controlado dentro de un cuadro de tiempo garantizado.
S i s t e m a d e C ó m p u t o T i e m p o - R e a l
O b j e t o C o n t r o l a d o I n t e r f a z
I n s t r u m e n t a c i ó n
O p e r a d o r
I n t e r f a z H o m b r e - M a q u i n a
Figura 2.3.- Sistema en tiempo real
Requerimientos funcionales
Los requerimientos funcionales de un sistema de tiempo real son los concernientes a las fun- ciones que debe realizar el sistema de c´omputo de tiempo real. Estos son agrupados en requer- imientos del muestreo de datos, requerimientos de control digital directo, y los requerimientos de interacci´on de hombre-m´aquina.
Requerimientos de tiempo
Las demandas m´as rigurosas de tiempo para los sistema de tiempo real tienen su origen en los requerimientos del lazo de control. El tiempo de c´omputo dcomputo, est´a definido como el intervalo de tiempo entre el punto de muestreo, la observaci´on del objeto controlado y el uso de est´a informaci´on para sacar la se˜nal de salida del actuador para el objeto controlado, ver
figura 2.4. El valor de este intervalo debe ser lo mas peque˜no posible. El jitter es la diferencia entre el valores m´aximo y m´ınimo del tiempo de c´omputo.
T i e m p o
O b s e r v a c i ó n d e l
O b j e t o c o n t r o l a d o
C o m a n d o d e l A c t u a d o r J i t t e r
d c o m p u t o
Figura 2.4.- Retardo y Jitter
Es importante notar que en algunos sistemas los requerimientos de tiempo son al menos tan im- portantes que las requerimientos funcionales. Es decir los requerimientos funcionales pueden ser sacrificados por tal de satisfacer los requerimientos de tiempo. Igual que los sistemas embebidos, los sistemas de tiempo real tienen un conocimiento substancial del ambiente donde est´a localizado el sis- tema controlado. Esta es la raz´on de que muchos sistemas de tiempo real son determin´ısticos, porque en esos sistemas el tiempo de respuesta est´a limitado. Un sistema en tiempo real determin´ıstico im- plica que cada componente del sistema debe tener un comportamiento determin´ıstico que contribuye al determin´ısmo de todo el sistema.
2.2.2. Sistemas embebidos
Los sistemas embebidos son sistemas de c´omputo con una fuerte integraci´on de hardware y soft- ware, que son dise˜nados para realizar un funci´on espec´ıfica. La palabra embebido refleja que ´estos sistemas son parte integral de otro sistema.
Por lo general el software y el hardware para un sistema embebido se desarrolla en paralelo.
Existe una retroalimentaci´on constante entre las dos partes del dise˜no durante la construcci´on del modelo del sistema embebido. El co-dise˜no de software y hardware enfatiza la caracter´ıstica funda- mental de los sistemas embebidos: est´an hechos para una aplicaci´on especif´ıca.
Por lo tanto, un sistema embebido puede considerarse como un artefacto de ingenier´ıa que in- volucra computaci´on que est´a sujeta a restricciones f´ısicas. El c´alculo computacional tiene dos re- stricciones f´ısicas, las cuales crecen, cuando interactua con el mundo f´ısico:
2.2. SISTEMAS EMBEBIDOS DE TIEMPO-REAL
1. la reacci´on al ambiente f´ısico
2. la ejecuci´on se realiza sobre una plataforma f´ısica
Las restricciones de reacci´on mas com´unes son la especificaci´on de tiempos muertos, el rendimien- to de procesamiento, y la inestabilidad, originados por los requisitos de comportamiento del sistema.
Las restricciones de ejecuci´on m´as comunes son: la limitada velocidad del procesador, el consumo de potencia y los porcentajes de fallas del hardware; y tienen su origen en la elecci´on de la arqui- tectura de implementaci´on. La teor´ıa del control contiene las restricciones de reacci´on, la ingenier´ıa de c´omputo contiene las restricciones de ejecuci´on. La clave en el dise˜no de sistemas embebidos es ganar m´aximo control al interactuar entre el c´omputo y ambas clases de restricciones para satisfacer un conjunto de requerimentos propuestos sobre una plataforma de implementaci´on seleccionada.
Dise ˜no de sistemas embebidos
El dise˜no de sistemas, construye a partir de los requerimientos planteados, una representaci´on ab- stracta del sistema - modelo - del cual un sistema puede generarse. De la parte del software se deriva un programa del cual un compilador puede generar el c´odigo; el dise˜no del hardware deriva una de- scripci´on de hardware, del que una herramienta de dise˜no asistido por computadora puede sintetizar un circuito. En ambos dominios, el proceso de dise˜no mezcla actividades abajo-arriba, como el reuso y adaptaci´on de bibliotecas de componentes, etc. y actividades arriba-abajo como el refinamiento sucesivo del modelo para satisfacer un conjunto de requerimentos.
Aunque son similares a otros sistemas de c´omputo porque tienen software, hardware y un am- biente f´ısico de interacci´on, los sistemas embebidos difieren de una manera esencial: debido a que involucran computaci´on que est´a sujeta a restricciones f´ısicas , la poderosa separaci´on de la com- putaci´on (software) de lo f´ısico (plataforma y ambiente), - un concepto central en ciencias de la computaci´on - , no funciona para sistemas embebidos. En su lugar, el dise˜no de sistemas embebidos requiere una aproximaci´on hol´ıstica que integra los paradigmas esenciales del dise˜no de software y hardware y la teor´ıa del control.
Principios de dise ˜no
En el dise˜no de sistemas embebidos no hay un camino directo para el dise˜no del hardware y software. En su lugar las teor´ıas de dise˜no y las pr´acticas de dise˜no para el hardware y software son adaptadas hacia propiedades individuales de ´estos dos dominios, siempre utilizando abstracciones
que son diametralmente opuestas.
Los dise˜nadores de hardware, por ejemplo, componen un sistema por medio de bloques in- terconectados que pueden representar transistores, puertas l´ogicas, componentes funcionales como sumadores, o componentes con arquitecturas como procesadores. Aunque los niveles de abstracci´on cambian, los bloques de construcci´on son siempre determin´ısticos, o probabil´ısticos, y su composi- ci´on est´a determinado por el flujo de datos entre ellos. Un bloque de contrucci´on en semantica formal consiste de una funci´on de transferencia t´ıpicamente especificada por ecuaciones. As´ı la operaci´on b´asica para construir los modelos de hardware es la composici´on de funciones de transferencia. Este tipo de modelo basado en ecuaciones es el modelo anal´ıtico, Fig. (2.5).
Figura 2.5.- Modelo Anal´ıtico. Diagrama a bloques del modelo de un p´endulo invertido controlado por un controlador discreto
Los dise˜nadores de software, en contraste, utilizan bloques secuenciales, tal como objetos e hilos, cuya estructura siempre cambia din´amicamente. Los dise˜nadores pueden crear, borrar o migrar blo- ques, que representan instrucciones, subrutinas o componentes de software. Una m´aquina abstracta, tambi´en conocida como m´aquina virtual, representa un bloque en semantica formal operacional- mente. Las m´aquinas abstractas pueden ser no deterministicas y el dise˜nador define la composici´on de bloques al especificar como el control fluye entre ellos. Por ejemplo los bloques at´omicos de diferentes hilos son t´ıpicamente interpolados, posiblemente utilizando operaciones de sincronizaci´on para controlarlos. Por lo tanto la operaci´on b´asica para la construcci´on de modelos de software es el producto de m´aquinas secuenciales, Figura. 2.6. Ejemplos de modelos computacionales incluyen programas, m´aquinas de estado, y otras notaciones para describir la din´amica del sistema.
2.2. SISTEMAS EMBEBIDOS DE TIEMPO-REAL
Figura 2.6.- Modelo Computacional. Diagrama de estados
Dise ˜no basado en modelo
El objetivo en cualquier dise˜no basado en modelo es describir y analizar los componentes del sistema dentro de un lenguaje de modelaci´on (ejemplo: Mathcad, Matematica, Matlab, Simulink, , etc.) que no est´e basado en elecciones tempranas del dise˜nador, para una ejecuci´on especifica ´o sobre una implementaci´on especifica. En otras palabras el dise˜no basado en modelo busca independencia de las elecciones de implementaci´on o de ejecuci´on.
La parte central para todos los dise˜nos basados en modelo es una teor´ıa de transformaciones de modelo. Los dise˜nos involucran siempre varios modelos que representan diferentes puntos de vista del sistema, a diferentes niveles de granulosidad. Generalmente los dise˜nos no se realizan es- trictamente arriba-abajo, - de los requerimientos a la implementaci´on -, ni tampoco estrictamente de abajo-arriba, - al integrar bibliotecas de componentes- ; sino que se realizan de una forma menos
dirigida, repitiendo en forma iterativa la construcci´on del modelo, el anal´ısis y la transformaci´on.
Las transformaciones del modelo deben preservar las propiedades esenciales. Algunas transforma- ciones pueden hacerse autom´aticamente; pero en otras el dise˜nador debe guiar la construcci´on del modelo. El ´ultimo paso es la compilaci´on. Los generadores de c´odigo siempre producen c´odigo in- eficiente, con modelos basados en equaciones: ´estos calculan soluciones de ecuaciones en punto fijo
´o las aproximan en forma iterativa, pero el dise˜nador debe suministrar algoritmos m´as eficientes y estructuras de datos. En la pr´actica se conf´ıa con frecuencia en un loop de prueba y error para la generaci´on de c´odigo, seguida por pruebas y por el redise˜no.
Ingenier´ıa de sistemas
Actualmente las metodolog´ıas de la ingenier´ıa de sistemas pueden ser dos: cr´ıticas o del mejor es- fuerzo. Los m´etodos cr´ıticos tratan de garantizar la seguridad del sistema a cualquier costo, a´un cuan- do el sistema opere bajo condiciones extremas. Los m´etodos del mejor esfuerzo tratan de optimizar el rendimiento del sistema ( y el costo $$) cuando el sistema opera en las condiciones esperadas. Uno visualiza un problema de restricci´on-satisfacci´on. El otro visualiza un problema de optimizaci´on.
Sistemas cr´ıticos
La ingenier´ıa de sistemas cr´ıticos est´a basada en las aproximaciones conservativas de la din´ami- ca del sistema y sobre la reservaci´on de recursos est´aticos. Las aproximaciones conservativas manejables siempre requieren plataformas de ejecuci´on simples, tal como m´aquinas simples sin sistema operativo y arquitecturas de procesador que permiten predictiblidad de tiempo para la ejecuci´on del c´odigo. Ejemplos t´ıpicos son los sistemas de seguridad de usados en aviones.
En estos sistemas la satisfacci´on de las restricciones de tiempo real est´an garantizadas en el anal´ısis de las peores condiciones de ejecuci´on y planificaci´on est´atica.
Mejor esfuerzo
La ingenier´ıa de sistemas del mejor esfuerzo est´a basada sobre en el caso promedio, no en el peor caso, y sobre un peque˜no porcentaje din´amico, que solo en la asignaci´on est´atica de los recursos. Esto es se busca la eficiencia del uso de los recursos, asi como la optimizaci´on del procesamiento y la potencia de consumo. Estos sistemas son muy usuales en aplicaciones que pueden tolerar alguna degradaci´on o a´un una negaci´on temporal del servicio.
Llenando el vacio
La ingenier´ıa de sistemas cr´ıticos y la ingenier´ıa del mejor esfuerzo son ampliamente disjun- tas, ya que tienen restricciones d´ıficiles y, haciendo el mejor uso de los recursos disponibles, trabajan par a par. Los sistemas cr´ıticos pueden tender al desaprovechamiento de recursos. Los
2.3. CELDAS DE COMBUSTIBLE
sistemas del mejor esfuerzo tienden a la no disponibilidad temporal. Se cree que la brecha entre las dos soluciones continuar´a, tanto como las incertidumbres de los sistemas embebidos se incremente. La justificaci´on para esto es que: primero, los sistemas embebidos empiezan a expandirse m´as, con mayores distancias entre el comportamiento deseado (cr´ıticos) y el caso com´un. Segundo debido al r´apido progreso del dise˜no VLSI, los desarrolladores est´an im- plementando sistemas embebidos sobre arcuitecturas complejas con multin´ucleos, multicapa, caches, multitarea, etc.
Una buena forma para comprender la relaci´on entre sistemas embebidos y sistemas de tiempo real es verlos como la intersecci´on de dos circunferencias como se muestra en la figura 2.7. Puede verse que no todos los sistemas embebidos son sistemas de tiempo real y que no todos los sistemas en tiempo real son sistemas embebidos. Pero como se puede ver ambos tipos de sistemas no son mutuamente exclusivos, y el ´area donde se sobreponen crea la combinaci´on de sistemas conocido como sistemas embebidos de tiempo real.
S i s t e m a s E m b e b i d o s
S i s t e m a s d e T i e m p o R e a l S i s t e m a s
E m b e b i d o s d e T i e m p o
R e a l
Figura 2.7.- Sistemas embebidos de tiempo real
2.3. Celdas de combustible
A principios de 1838/1839 Friedrich Wilhelm Schonbein y William Grove descubrieron el prin- cipio b´asico de las celdas de combustible (Fuel Cell, FC ), al invertir la electrocatal´ısis del agua para generar electricidad a partir del hidr´ogeno y ox´ıgeno.
Una celda de combustible es un dispositivo electroqu´ımico que continuamente convierte la en- erg´ıa quimica en energ´ıa el´ectrica y calor, en cuanto el combustible y el oxidante son suministrados.
Las celdas de combustible son similares a las bater´ıas, en que ambas comparten la naturaleza elec- troqu´ımica en el proceso de generaci´on de energ´ıa; y tambi´en son similares a los motores o m´aquinas,
a diferencia de las bater´ıas, en que trabajar´an continuamente consumiendo un combustible de alg´un tipo.
Las celdas de combustible est´an siendo desarrolladas para tres mercados principales: propulsi´on automotriz, generaci´on de energ´ıa el´ectrica para uso residencial, y para sistemas port´atiles. Cada aplicaci´on principal est´a determinada por requerimientos espec´ıficos del sistema y por diferentes tipos de celdas de combustible, pero el principio de operaci´on es el mismo.
2.3.1. Principio de operaci´on
El principio de operaci´on de las celdas de combustible es el mismo para todos los tipos que han aparecido en los ultimos 160 a˜nos [17]. Una reacci´on llamada redox es realizada en dos medias- reacciones localizadas en dos electrodos separados por un electr´olito. El prop´osito del electr´olito es la separaci´on electr´onica y una conexi´on i´onica entre los dos electrodos, que tienen diferentes potenciales electroqu´ımicos. La ventaja de mantener la reacci´on en dos partes: es la conversi´on elec- troqu´ımica directa de la energ´ıa qu´ımica en energ´ıa el´ectrica al utilizar la diferencia de potencial resultante entre los dos electrodos ´anodo y c´atodo. La m´as simple y relevante reacci´on en este con- texto es la formaci´on de agua entre los elementos:
H2+R O2= H2O (1.1)
Un procedimiento diferente, a solo realizar la reacci´on dada por(1.1) como una reacci´on de fase-gas, es suministrar la energ´ıa de activiaci´on (ignici´on) o, m´as gentilmente, suministrar los dos reactantes (combustibles) sobre un catalizador oxidante tal como platino y hacercar simple calor. La reacci´on electroquimica produce dos medias-reacciones :
H2= 2 H++ 2 e- (1.2)
y
R O2+ 2 H2+ 2 e- = H2O (1.3)
que toman lugar, (1.2) en el ´anodo y (1.3) en el c´atodo respectivamente. Por lo tanto los dos electro- dos asumen sus potenciales electroqu´ımicos en - te´oricamente - 0 y 1.23 V -, respectivamente; una corriente electr´onica fluir´a cuando los electrodos son conectados por un circuito externo. La reacci´on en el ´anodo es la reacci´on de oxidaci´on del hidr´ogeno; la reacci´on en el c´atodo es la reducci´on del ox´ıgeno. En este ejemplo el electrol´ıto es un medio ´acido que solo permite el paso de protones H+, del ´anodo al c´atodo. El agua se forma en el c´atodo.
2.3. CELDAS DE COMBUSTIBLE
Figura 2.8.- Principio de operaci´on de una celda de combutible
La figura 2.8 muestra en forma esquem´atica la operaci´on de una celda de combustible. En la parte superior est´an las entradas de los combustibles, H2y O2, los cuales fluyen hacia el interior de la celda y producen la reacci´on electroqu´ımica en el medio electrol´ıto, generando cargas el´ectricas libres en los electrodos, que al unirlos mediante el circuito el´ectrico externo, se produce una corriente el´ectrica en la carga. Otros componentes que se liberan, como efecto de la reacci´on qu´ımica, es calor y agua.
2.3.2. Tipos de Celdas de Combustible
Los diferentes tipos de celdas de combustible son nombradas y difieren una de otra por la se- lecci´on del tipo de Electrolito que usan( los electrol´ıtos son l´ıquidos o s´olidos que forma un canal de particulas cargadas dentro de la celda ). El electrol´ıto tambi´en determina la naturaleza del por- tador de carga i´onica y la direcci´on del flujo de c´atodo a ´anodo o de ´anodo a c´atodo. En la tabla 2.1 se resumen los tipos de celdas de combustible que se encuentran en desarrollo junto con dos caracter´ısticas principales que son el electrol´ıto y la temperatura de operaci´on.
Tipo FC Electrol´ıto Temperatura
Alkalina (AFC) KOH 60 − 120oC
Proton exchange membrane(PEMFC) Nafion 60 − 120oC Phosphoric acid (PAFC) Acid Phosphoric ∼ 220oC
Molten carbonate (MCFC) Li, Po, C ∼ 650oC
Solid Oxide (SOFC) Solid Oxide ∼ 1000oC
Tabla 2.1.- Tipos de celdas de combustible y electrol´ıtos .
La celda de combustible de membrana de intercambio prot´onico (PEMFC) toma su nombre de la membrana especial de pl´astico (nafi´on) que utiliza como electrol´ıto. Esta membrana tiene la propiedad de intercambiar cationes en forma segura. El ensamble de membrana-electr´odo (MEA), tiene un grosor de unos 500 microns, forma el coraz´on de la PEMFC. La MEA est´a localizada en-
tre un par de placas colectoras con canales de flujo maquinados, para distribuir el combustible y el oxidante al ´anodo y c´atodo, (figura 2.9). Una celda de combustible (monocelda) real produce t´ıpica- mente alrededor de 0.6 V [13]. Para incrementar la densidad de energ´ıa, un determinado n´umero de monoceldas se acoplan para obtener mayor densidad de energ´ıa. Esta es la raz´on del porque la celda de combustible siempre es referida como arreglo de monoceldas ´o “Stack”(figura 2.9).
Figura 2.9.- Ensamble de una celda tipo PEM
2.3.3. Aplicaciones
En los siguientes p´arrafos se describen los principales mercados donde se han desarrollado las celdas de combustible como fuente de energ´ıa principal[17].
Transporte
En el sector transporte, las celdas de combustible son probablemente los m´as serios competidores de los motores de combusti´on interna, ya que son mucho m´as eficientes porque son m´aquinas electro- qu´ımicas en lugar de m´aquinas t´ermicas; y por lo tanto pueden reducir el consumo de combustibles f´osiles y la reducci´on de emisiones de CO2. Entre las aplicaciones incluyen autobuses para pasajeros, minivans, veh´ıculos comerciales, autobuses de transporte masivo de pasajeros, locomotoras, barcos, y aviones.
Potencia estacionaria
Este mercado de aplicaciones se refiere a plantas con celdas de combustible, para generar electricidad en un lugar fijo. Estas plantas pueden tener un rango de potencia desde unos cuantos kilowatts en unidades dise˜nadas para casas residenciales hasta el rango de megawatts para estaciones de potencia mayores. La reducci´on de emisiones de CO2 es un argumento importante para el uso de celdas de combustible en sistemas de potencia de rango medio, particularmente en sistemas para la generaci´on
2.4. CONVERTIDORES DE POTENCIA
combinada de potencia y calor (ingl´es CHP). La tecnolog´ıa primaria para ´este mercado son celdas de combustible tipo PEM y tipo SO.
Potencia port´atil
Las celdas de combustible pueden ser utilizadas para una gran variedad de dispositivos port´atiles, desde electr´onica de mano como tel´efonos celulares hasta equipos m´as grandes como generadores el´ectricos port´atiles. Las aplicaciones t´ıpicas incluyen computadoras laptops, c´amaras digitales y videograbadoras, organizadores personales, radiocomunicadores y cualquier dispositivo que utilize bater´ıas. La tecnolog´ıa primaria usando hidr´ogeno para aplicaciones port´atiles es la celda de com- bustible tipo PEM. El espectro de aplicaciones de potencia port´atil no est´a bien definida, pero se limita a aplicaciones con un consumo de energ´ıa abajo de 1 KW.
En la tabla 2.2 se resumen otras caracter´ısticas de las celdas de combustible. Puede verse que las celdas de tipo PEMFC tienen una eficiencia entre 35 % y 45 % y utilizan hidr´ogeno puro como com- bustible. Este tipo de celdas son ´optimas para un rango amplio de aplicaciones. Es posible situarlas en aplicaciones menor a 1 KW como fuente de energ´ıa para equipos port´atiles, comunicaciones, etc.
y se pueden situar tambi´en en aplicaciones con potencias menores a 5 KW como por ejemplo como fuente de energ´ıa para un vehiculo el´ectrico monoplaza, o como fuente de enrg´ıa para el alumbrado residencial.
Tipo FC Combustible Eficiencia Potencia/Aplicaci´on
AFC H2 35-55 % 5 KW, militar, espacial
PEMFC H2 35-45 % 5-250 KW, automotriz, portables
PAFC H2 40 % 200 KW CHP
MCFC H2,CO,CH4 > 50 % 200 KW - MW, CHP,
Solid Oxide (SOFC) H2,CO,CH4 > 50 % 2 KW-MW, CHP, Tabla 2.2.- Aplicaciones de las celdas de combustible
.
2.4. Convertidores de potencia
La energ´ıa el´ectrica es el m´usculo de la industria moderna, y la electr´onica de potencia hace su utilizaci´on m´as inteligente [18]. La electr´onica de potencia es un ´area multidisciplinaria la cual in- tegra la energ´ıa el´ectrica, la electr´onica anal´ogica y digital, el control autom´atico, las herramientas CAD, las microcomputadoras, los dispositivos de potencia y los convertidores electr´onicos. La parte
