Diseño y análisis integral de un banco de supercapacitores: del modelado a la estimación del estado de carga

PAUL PULESTON; JUAN TALPONE; PEDRO FORNARO; DIEGO RIVA; PEDRO BATTAIOTTO

Buenos Aires

Jornada; 5tas Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería; 2019

Facultad de Ingeniería UNLP

En este trabajo se enseña el diseño integral de un banco de supercapacitores (SC), junto con las simulaciones realizadas en las múltiples etapas de diseño y las mediciones realizadas una vez construido. El mismo fue confeccionado con 20 elementos de 400 [F] nominales, combinados para alcanzar una tensión nominal de 27 [V] y una capacidad nominal de 80 [F]. Además, se explica el diseño de un módulo de seguridad para el banco, basado en FPGA, encargado de supervisar el buen funcionamiento del mismo. A partir de medidas de tensión, corriente y temperatura, se busca resguardar tanto al banco de supercapacitores como al operario de posibles daños.Los SC, también llamados capacitores de doble capa, son una tecnología de almacenamiento de energía emergente debido a su bajo impacto ambiental, alta eficiencia y vida útil. El desempeño de los SC se encuentra fuertemente ligado a su tensión de operación y también a su temperatura, lo que pone de manifiesto la importancia de un adecuado seguimiento del estado de salud (SOH) y del estado de carga (SOC) de los SC. La variabilidad de los parámetros de los SC hace imprescindible la incorporación de un método de balanceo para las celdas del banco, con el objetivo de mantener estable la tensión de trabajo de los SC y resguardar tanto la salud de estos, así como la del usuario. Teniendo en consideración los mencionados factores, se llevaron a cabo cuatro etapas de diseño para construir el banco de SC: ?La primera de ellas consistió en utilizar un modelo simple para las celdas del banco de SC, para diseñar un sistema de balanceo apto, que guarde una adecuada relación de compromiso entre la energía disipada para el balanceo y la velocidad del método. Se utilizó un novedoso método de balanceo de tensiones de celda basado en transistores mosfet.?Una segunda etapa consistió en el diseño de la instrumentación requerida para obtener mediciones precisas de las variables eléctricas, utilizando un amplificador de tensión aislado, un sensor de efecto hall para la medición de la corriente, y sensores de temperatura; el diseño del PCB, y el posterior montaje de todos los elementos.?La tercera etapa de diseño consistió en la programación de un software encargado de la seguridad integral del banco a partir de las mediciones de tensiones, corrientes y temperaturas. Se utilizó un FPGA de Altera como dispositivo de procesamiento, por la posibilidad de utilizar ejecución paralela, notablemente mejor que la secuencial para este tipo de aplicaciones. ?Finalmente, la última etapa (aún pendiente de implementación) consistió en el diseño de un observador del SOC, utilizando un observador por modo deslizante acoplado con un estimador paramétrico. Entre las principales ventajas de estos observadores se encuentra el alto rechazo a las perturbaciones e incertidumbres del modelo y capacidad para lidiar con no-linealidades de los supercapacitores. El conjunto (Observador-Estimador) se diseñó para ser aplicado en una estimación on-line del SOC del banco de SC.