Sistema híbrido basado en pila de combustible y batería para aplicaciones de transporte público urbano

Resumen

La actual problemática en el mundo relacionada con la alta dependencia del petróleo, especialmente en el sector del transporte, junto con la polución y el cambio climático hace que sea necesario el desarrollo de nuevas tecnologías capaces de hacer frente a estos inconvenientes. El hidrogeno junto con las pilas de combustibles, en inglés Fuel Cell, se están convirtiendo en la gran alternativa a los actuales sistemas de generación y de transporte basados en gran medida en combustibles de origen fósil y en motores de combustión interna. Esta tesis doctoral se enmarca dentro del proyecto de investigación ECONTRANS, financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) del Ministerio de Ciencia e Innovación a través del programa CENIT. Uno de los objetivos de este proyecto es el desarrollo de un sistema híbrido basado en pila de combustible y batería para una serie de tranvías, metros y trenes de cercanías de toda España. En esta tesis se proponen dos configuraciones híbridas de propulsión basadas en pila de combustible de membrana de intercambio de protones y en batería de Ni-Mh para el actual tranvía de 400kW que circula por el centro de la ciudad de Sevilla llamado Metro-Centro. Cada una de las configuraciones propuestas está formada por los siguientes elementos: 1) pila de combustible; 2) batería; 3) convertidor DC/DC de tensión; 4) cargas del tranvía, donde se incluye el sistema de tracción y la potencia demandada por los servicios auxilies; 5) resistencia de frenado; 6) sistema de gestión y control de energía. La pila de combustibles es la fuente principal de energía del tranvía de cada configuración, estando conectada al bus de continua mediante un convertidor unidireccional elevador de tensión. Por su parte, la batería es la fuente secundaría de energía. En una de las configuraciones propuestas, la batería está conectada directamente al bus de continua, mientras que en la segunda, la batería utiliza un convertidor elevador bidireccional. Por lo tanto, las configuraciones del sistema de acondicionamiento de potencia utilizadas son: 1) convertidor unidireccional para pila y batería directamente conectada al bus de continua; 2) convertidor unidireccional para pila y convertidor bidireccional para batería. Con objeto elegir un modelo adecuado de pila de combustible para su integración en el nuevo híbrido de propulsión de tranvía, en la presente tesis, se realiza un estudio comparativo de tres modelos distintos de pila. El primer modelo corresponde a un nuevo modelo reducido de pila de combustible propuesto para esta tesis (modelo reducido 1). El segundo modelo comparado, es un modelo aún más reducido de pila (modelo reducido 2) muy utilizado en aplicaciones de transporte de vehículos híbridos y en sistemas de generación distribuida. Estos dos modelos son desarrollados a partir de una serie de simplificaciones realizadas a un modelo de pila bastante más completo (modelo completo), el cual incluye un modelo detallado de los colectores de entrada y salida, del motor de CC y del compresor, entre otros elementos auxiliares que forman un sistema completo de pila de combustible. Los tres modelos pila son desarrollados a partir de las características reales de una pila comercial especialmente diseñada para su utilización en el sector del transporte. Los modelos son comparados mediante simulaciones estáticas y dinámicas integrando cada uno de ellos en la configuración del nuevo sistema híbrido de propulsión que utiliza un único convertidor DC/DC. Por otra parte, para cada configuración del nuevo sistema híbrido de tranvía, en esta tesis se desarrollan una serie de sistemas de control para una adecuada gestión de la energía del tranvía. Para el caso de la configuración de un convertidor, las topologías de control desarrolladas en la tesis son: a) una nueva estrategia de control basada en un sistema de generación de estados junto con una estructura de control en cascada; b) un control en cascada formado por tres lazos de control, que presenta ciertas modificaciones respecto al utilizado por otros autores para aplicaciones de generación distribuida; c) un nuevo control basado en lógica difusa; y d) un control de minimización de consumo de hidrógeno bastante utilizado en autobuses y en turismos híbridos. En todos estos controles, la variable de salida es el ciclo de trabajo, en inglés duty cycle, del interruptor elevador de la FC. Por su parte, en el caso de la configuración de dos convertidores, los controles implementados son: a) un control basado en estados similar al anterior y en un sistema de control de la tensión del bus de continua; b) un nuevo control en cascada realizado para esta configuración compuesto por dos controles en cascada formado por dos lazos de control cada uno (uno de ellos genera el ciclo de trabajo del convertidor elevador y el otro el del convertidor bidireccional); y c) un control de lógica difusa para el caso del convertidor elevador y un sistema de control de la tensión de continua como el implementado en el caso del control por estados. Todas estas topologías de control se comparan utilizando el nuevo modelo propuesto de pila de combustible, siendo la potencia de referencia a generar por parte de los nuevos sistemas híbridos de propulsión la potencia real demandada por el tranvía Metro-Centro durante su trayecto completo de ida y vuelta correspondiente a la primera fase implantación del mismo. Las simulaciones, todas ellas realizadas bajo la plataforma Simulink/Matlab, muestran el correcto funcionamiento del nuevo modelo reducido de pila de combustible, consiguiendo un buen equilibrio entre tiempo de simulación y fiabilidad de resultados para las variables internas y externas de la pila de combustible. Además, atendiendo a las simulaciones realizadas para la comparación de los controles y de las dos configuraciones del nuevo tranvía híbrido planteadas en esta tesis, estas siguieren que el control basado en el sistema de generación de estados y la configuración de dos convertidores es la mejor opción para el nuevo sistema híbrido de propulsión de tranvía.