Modelado y simulación de una estación de carga de baterías para portabilidad energética en bicicletas eléctricas | Modeling and simulation of a battery charging station for energy portability on electric bikes

En este proyecto se propone y simula una estación de carga de bicicletas eléctricas con energía solar sin conexión a red. La estación consiste en un arreglo fotovoltaico conectado a un convertidor (CC/CC) tipo Boost con seguimiento de punto de máxima potencia y en seis convertidores (CC/CC) tipo Buck, asociados a los seis puertos de carga provistos para la carga de baterías Ion litio de bicicletas. La contribución de este trabajo, es la formulación de estrategias de control para un novedoso sistema solar de carga de bicicletas eléctricas bajo un enfoque de intercambio de baterías. Una estación de carga de baterías (BBS por sus siglas en inglés) carga las baterías por adelantado y las prepara para ser intercambiadas con el usuario en un tiempo considerablemente corto. En este sistema propuesto, se carga de forma directa las baterías de las bicicletas con energía eléctrica generada por arreglo fotovoltaico sin hacer uso de banco de baterías adicional. Para el planteamiento de estrategias de control, se modela y parametriza el conjunto de componentes que conforma la estación y se unifican en un modelo que simule el comportamiento de la estación ante de cambios de irradiancia, temperatura y carga. Finalmente, mediante simulación en Matlab, se observa si las estrategias de control propuestas establecen un comportamiento del proceso de carga dentro de rango seguro de operación y se evalúa la efectividad del algoritmo de seguimiento de máxima potencia. Se establecen dos modos de operación de la estación para gestión de flujos de potencia ante los casos en que la potencia fotovoltaica supera la potencia demanda y viceversa. Se analiza ventajas y desventajas para cada uno de ellos

INTRODUCCIÓN 3 1. OBJETIVOS 5 1.1 Objetivo general 5 1.2 Objetivos específicos 5 METODOLOGÍA 6 1.3 CARACTERIZACION DE LA ESTACION DE CARGA 6 1.4 MODELADO DE BATERÍA Y PANEL SOLAR 6 1.5 IMPLEMENTACIÓN DE ALGORITMOS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL 7 1.6 Simulación y análisis de resultados 7 2 MARCO REFERENCIAL 8 2.1 MARCO CONTEXTUAL 8 2.2 ESTADO DEL ARTE 9 2.3 MARCO TEORICO 11 2.3.1 Energía solar fotovoltaica. 11 2.3.2 Operación de los paneles solares 13 2.3.3 Sistema de seguimiento de máxima potencia (MPPT) 14 2.3.4 Baterías recargables 15 2.3.5 Tipos de modelos matemáticos para baterías recargable 15 2.3.6 Cargador de baterías 19 2.3.7 Convertidores CC/CC 22 3 CARACTERIZACIÓN ESTACIÓN DE CARGA 27 3.1.1 Recurso solar disponible 27 3.1.2 Capacidad de baterías 28 3.1.3 Potencia fotovoltaica 29 4 MODELADO MATEMATICO 30 4.1 MODELO DE BATERIA 30 4.1.1 Estimación de parámetros celda Ion litio 31 4.1.2 Configuración pack de baterías de simulación 37 4.2 MODELO PANEL SOLAR 38 4.2.1 Estimación de parámetros modulo solar 39 4.2.2 Configuración arreglo fotovoltaico 40 5 ALGORITMOS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL IMPLEMENTADAS 42 5.1 SISTEMA DE CARGA BATERÍAS 42 5.1.1 Bloque de potencia convertidor CC/CC tipo Buck 43 5.1.2 Control de carga 45 5.2 SISTEMA DE SEGUIMIENTO DE MÁXIMA POTENCIA 48 5.2.1 Bloque de potencia convertidor CC/CC tipo Boost 49 5.2.2 Algoritmo de seguimiento de máxima potencia 50 5.3 ALGORITMO DE CONTROL, PARA LA GESTIÓN DE FLUJOS DE POTENCIA 51 6 ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN REALIZADA EN MATLAB SIMULINK 53 6.1 Respuesta del controlador de carga 53 6.2 Respuesta algoritmo de seguimiento de máxima potencia 57 6.3 Simulación estación de carga 58 6.3.1 Potencia fotovoltaica mayor a potencia demanda por la carga de las baterías 61 6.3.2 Potencia fotovoltaica menor a potencia demanda por la carga de las baterías 64 CONCLUSIONES 70 RECOMENDACIONES 71 REFERENCIAS 72

Pregrado

This project proposes and simulates a solar-powered electric bike charging station without a grid connection. The station consists of a photovoltaic array connected to a Boost converter (DC/DC) with maximum power point tracking and six Buck type converters (DC/DC) associated with the six charging ports provided for charging Ion lithium batteries from Bicycles. The contribution of this work is the formulation of control strategies for a novel solar electric bike charging system under a battery exchange approach. A battery charging station (BBS) charges the batteries in advance and prepares them to be exchanged with the user in a considerably short time. In this proposed system, bicycle batteries are directly charged with electric energy generated by photovoltaic array without making use of additional battery bank. For the planning of control strategies, the set of components that make up the station are modeled and parameterized and unified in a model that simulates the behavior of the station before changes in irradiance, temperature and load. Finally, by simulation in MATLAB, it is observed whether the proposed control strategies, establish a load process behavior within safe operating range and evaluate the effectiveness of the maximum power tracking algorithm. Two station modes of operation are established for power flow management in cases where photovoltaic power exceeds demand power and vice versa. Advantages and disadvantages are analyzed for each of them

Modalidad Presencial