Análisis y desarrollo de modelos de simulación de almacenamiento para automóviles eléctricos y estudio de la influencia de la recarga en los parámetros de red

Rodríguez Palomo, Cesar (2020). Análisis y desarrollo de modelos de simulación de almacenamiento para automóviles eléctricos y estudio de la influencia de la recarga en los parámetros de red. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Análisis y desarrollo de modelos de simulación de almacenamiento para automóviles eléctricos y estudio de la influencia de la recarga en los parámetros de red
Author/s:
  • Rodríguez Palomo, Cesar
Contributor/s:
  • Rodríguez Arribas, Jaime
  • Nájera Álvarez, Jorge
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: June 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La gran importancia que cobra el transporte eléctrico en la actualidad, debido a los altos costes asociados a los combustibles fósiles y a las consecuencias que éstos tienen sobre el cambio climático, ha originado que tenga que adaptarse a las nuevas necesidades del mundo actual. Esta revolución e importancia del transporte eléctrico, es el punto de partida de este Trabajo Fin de Grado. Este trabajo se centra en el estudio de los automóviles eléctricos desde dos visiones claramente diferenciadas. La primera analiza los vehículos eléctricos desde el punto de vista del usuario, mientras que, en la segunda, el punto de vista se focaliza en la red eléctrica. El primer estudio abarca los capítulos del 2 al 6 (ambos incluidos), y parte de la posibilidad de integrar los ultracondensadores como sistemas de energía complementarios a las baterías, dando lugar a los denominados sistemas de almacenamiento híbrido de energía (HESS). Para su análisis, se ha creado una metodología de diseño, que permite obtener un porcentaje de hibridación que consigue optimizar la eficiencia del conjunto baterías-ultracondensadores, aumentando su rendimiento, y disminuyendo el envejecimiento de las baterías. En la metodología anterior, existen dos series de variables. Las primeras, se mantienen fijas durante todo el estudio y son: tipo de vehículo eléctrico, tipo de baterías, tipo de ultracondensadores, tipo de convertidor de potencia, tipo de topología, tipo de estrategia de control y ciclo de conducción. Por otro lado, las otras variables se modifican en cada simulación y son: potencia a la que se limitan las baterías (PMIN), potencia de carga de los ultracondensadores (PCH), número de celdas de la batería en paralelo (Nbat_p) y número de celdas de los ultracondensadores en paralelo (Nuc_p). Para este trabajo, el vehículo eléctrico en el que se implementará la metodología, y, por tanto, se probará la viabilidad del sistema baterías-ultracondensadores es un autobús eléctrico. Las baterías seleccionadas son del tipo LiFePO4, mientras que los ultracondensadores son de doble capa (EDLC). Después de analizar siete topologías diferentes, se selecciona una de ellas para implementarse en la metodología, lo que condiciona el número y tipo de convertidores de potencia utilizados y el tipo de estrategia de control del conjunto. El ciclo de conducción seleccionado es el ciclo ARTEMIS, pero para demostrar la influencia del ciclo en los resultados del modelo, también se utilizará el ciclo de conducción NEDC. Por otro lado, la potencia de las baterías se limita a 1C, 2C, 3C, 4C y 5C. La potencia de carga de los ultracondensadores se limita por medio de su corriente de carga en 20 A, 40 A, 60 A y 80 A. El número de celdas en paralelo de las baterías y de los ultracondensadores se modifica dentro del intervalo de porcentaje de hibridación del 0 al 47 %. Finalmente, los resultados de las simulaciones obtenidos de implementar la metodología y el modelo en Simulink, muestran la influencia que tienen las distintas variables contempladas en esta metodología en la eficiencia del conjunto y el envejecimiento de la batería, alcanzándose un punto de hibridación óptimo para el ciclo ARTEMIS y otro para el ciclo NEDC, y, que por tanto, aprueba la integración de los ultracondensadores como sistemas de energía complementarios a las baterías en el caso concreto de estudio de un autobús eléctrico. El segundo estudio de este trabajo se desarrolla entre los capítulos 7 y 11 (ambos incluidos), y parte de la posibilidad de mitigar los problemas de calidad de tensión, durante la recarga, debidos a la masiva penetración de vehículos eléctricos en las redes de distribución de baja tensión. Para su análisis, se ha desarrollado una metodología que estudia, como principales problemas de tensión, los problemas de baja tensión y los desequilibrios, medidos a partir del factor de desequilibrio de tensión (VUF). Dicha metodología se implementa en una red de baja tensión residencial de cuatro hilos, formada por 19 nodos y un número máximo de 26 vehículos eléctricos conectados en cinco nodos de la red, recargándose durante el intervalo comprendido entre las 21 h y las 22 h, uno de los de mayor demanda y sobrecarga de la red. En cada vehículo eléctrico se implementan cargadores con dos controles descentralizados monofásicos y dos controles descentralizados trifásicos. Los controles monofásicos, tienen como objetivo solucionar los problemas de baja tensión, mientras que los trifásicos, mitigan los desequilibrios de tensión. Las variables de estudio de esta metodología son: el nodo en el que está conectado el vehículo eléctrico, el porcentaje de vehículos eléctricos conectados, la semejanza de las fases durante la recarga y el control predominante durante la recarga. Debido a la gran variedad de combinaciones posibles entre estas variables y el número de vehículos conectados, para analizar el modelo, se utiliza el método de Monte Carlo y la mediana como variable estadística. Los resultados de implementar en Simulink esta metodología y el modelo de la red de distribución residencial, demuestran la influencia de las variables en el modelo, además de la aleatoriedad del método de Monte Carlo. Para su análisis, se han representado, en primer lugar, las relaciones individuales de estas variables (relaciones de monovariables), y, en segundo lugar, las relaciones cruzadas dos a dos de estas variables (relaciones de bivariables). En ambos casos, se concluye que existe un control descentralizado monofásico que permite un mayor aumento de las tensiones (mitigación de los problemas de baja tensión) y un control descentralizado trifásico que consigue una mayor reducción del VUF (mitigación de los desequilibrios de tensión). Por tanto, se aprueba la posibilidad de implementar controles descentralizados en los cargadores de los vehículos eléctricos para mitigar los problemas de calidad de tensión debidos a la penetración de estos vehículos en la red. Por último, en el capítulo 12 se muestra la planificación temporal y el presupuesto del trabajo, mientras que en el capítulo 13, se recogen las conclusiones generales del proyecto, así como una valoración personal del trabajo y las líneas futuras que podrían seguir a este Trabajo Fin de Grado.

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Item ID: 63227
DC Identifier: http://oa.upm.es/63227/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:63227
Deposited by: CESAR CRP RODRIGUEZ
Deposited on: 07 Oct 2020 06:37
Last Modified: 07 Oct 2020 06:37
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