Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de

UNIVERSIDAD DE SEVILLA
Diseño de una Interfaz
Electrónica de Control
de una Pila de
Combustible de a Bordo.
Mateo Jonás Ortega Sánchez
Tutor: Federico Barrero García
04/04/2013
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Contenido
1.1.
ANTECEDENTES. ............................................................................................. 6
1.2.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ............................................................... 7
1.3.
OBJETIVO DEL PROYECTO. ............................................................................ 9
1.4.
COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS: VENTAJAS Y DESVENTAJAS. .............. 10
1.4.1.
Biodiesel. .................................................................................................. 10
1.4.2.
Etanol. ....................................................................................................... 12
1.4.3.
Butanol. ..................................................................................................... 14
1.4.4.
Baterías y Celdas Solares. ........................................................................ 15
1.4.5.
Hidrógeno. ................................................................................................ 16
1.4.6.
Metanol. .................................................................................................... 17
1.4.7.
Gas Natural. .............................................................................................. 18
1.5.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA. ....................................................................... 21
1.5.1.
Descripción de la planta ............................................................................ 22
1.6.
REQUISITOS DEL DISEÑO............................................................................. 23
1.7.
PILAS DE COMBUSTIBLE............................................................................... 23
1.7.1.
Funcionamiento......................................................................................... 23
1.7.2.
Tipos de pila de combustible. .................................................................... 26
1.7.2.1.
Membrana Polimérica (PEM). ............................................................ 27
1.7.2.2.
Acido Fosfórico (PAFC)...................................................................... 28
1.7.2.3.
Conversión Directa de Metanol (DMFC). ............................................ 29
1.7.2.4.
Alcalina (AFC). ................................................................................... 30
1.7.2.5.
Carbonato Fundido (MCFC). .............................................................. 31
2
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.8.
1.7.2.6.
Oxido Solido (SOFC). ........................................................................ 32
1.7.2.7.
Reversible (Regenerativa). ................................................................. 32
DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA. ............................ 34
1.8.1.
Pila de combustible. .................................................................................. 34
1.8.2.
Válvula proporcional. ................................................................................. 34
1.8.3.
Sensor de presión. .................................................................................... 35
1.8.4.
Sensor de caudal. ..................................................................................... 35
1.8.5.
Fuente de alimentación. ............................................................................ 35
1.8.5.1.
Fuente de alimentación de ±5 V. ........................................................ 36
1.8.5.2.
Fuente de alimentación de 24 V. ........................................................ 37
1.8.6.
Adquisición de datos. ................................................................................ 37
1.8.6.1.
Adquisición de la tensión de la pila de combustible. ........................... 37
1.8.6.2.
Adquisición de la corriente de la pila de combustible. ........................ 38
1.8.6.3.
Adquisición de la presión de hidrogeno. ............................................. 39
1.8.6.4.
Adquisición del caudal de hidrogeno. ................................................. 39
1.8.6.5.
Elevador de tensión para la válvula proporcional. .............................. 40
1.8.6.6.
Adquisición de tensión y corriente del convertidor DC/DC. ................. 41
1.8.7.
Microcontrolador. ...................................................................................... 41
1.8.7.1.
1.8.8.
Convertidor D/A. ................................................................................ 43
Convertidor DC/DC para la pila de combustible. ....................................... 44
1.8.8.1.
Convertidor boost. .............................................................................. 44
1.8.8.2.
Driver ................................................................................................. 45
1.8.8.3.
Fuente de alimentación de 15 V ......................................................... 46
3
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.1.
DISEÑO DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN. .......................................... 47
2.1.1.
2.1.1.1.
Tensiones de 5 V. .............................................................................. 47
2.1.1.2.
Tensiones de 24 V. ............................................................................ 47
2.1.2.
Fuente de alimentación de 5 V. ................................................................. 48
2.1.2.1.
Cálculo de la bobina........................................................................... 48
2.1.2.2.
Cálculo del condensador de entrada. ................................................. 49
2.1.2.3.
Cálculo del condensador de salida. .................................................... 49
2.1.2.4.
Elección del diodo. ............................................................................. 49
2.1.2.5.
Cálculo del disipador. ......................................................................... 49
2.1.3.
2.2.
Consumo del sistema. ............................................................................... 47
Fuente de alimentación de 24 V. ............................................................... 50
2.1.3.1.
Cálculo de la bobina........................................................................... 50
2.1.3.2.
Cálculo del condensador de entrada. ................................................. 50
2.1.3.3.
Cálculo del condensador de salida. .................................................... 50
2.1.3.4.
Elección del diodo. ............................................................................. 51
2.1.3.5.
Cálculo del disipador. ......................................................................... 51
2.1.3.6.
Cálculo del divisor de voltaje. ............................................................. 52
DISEÑO DEL CIRCUITO DE ADQUISICIÓN DE DATOS. ............................... 52
2.2.1.
Adquisición de tensión de la pila de combustible....................................... 52
2.2.2.
Adquisición de la corriente de la pila de combustible. ............................... 53
2.2.3.
Adquisición de la presión de hidrogeno. .................................................... 54
2.2.4.
Adquisición del caudal de hidrogeno. ........................................................ 55
2.2.5.
Elevador de tensión para la válvula proporcional. ..................................... 55
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2.2.6.
2.3.
Adquisición de tensión y corriente del convertidor DC/DC. ........................ 56
DISEÑO DEL CIRCUITO DEL MICROCONTROLADOR. ................................ 58
2.3.1.
Convertidor D/A......................................................................................... 58
2.3.2.
Programa. ................................................................................................. 58
2.3.3.
Diagrama de Flujo. .................................................................................... 60
2.4.
DISEÑO DEL CIRCUITO DEL CONVERTIDOR DC/DC. ................................. 61
2.4.1.
Calculo de la bobina. ................................................................................. 61
2.4.2.
Cálculo del condensador de salida. ........................................................... 62
2.4.3.
Elección del MOSFET. .............................................................................. 62
2.4.4.
Elección del diodo. .................................................................................... 63
2.4.5.
Cálculo de los disipadores......................................................................... 63
2.4.6.
Driver. ....................................................................................................... 64
3.1.
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE LA PILA DE COMBUSTIBLE. ............ 65
3.2.
PRUEBAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN. .................................................... 67
3.3.
PRUEBAS CONVERTIDOR DC/DC. ................................................................ 71
3.4.
PRUEBAS INTERFAZ DE CONTROL.............................................................. 73
3.5.
ASPECTO DE LOS PROTOTIPOS. ................................................................. 75
3.6.
CONCLUSIONES. ........................................................................................... 77
A.
Anexos. ............................................................................................................... 80
5
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.1.
ANTECEDENTES.
Las pilas de combustible se conocen desde mediados del siglo pasado, aunque su uso
desde entonces ha sido muy limitado, básicamente por problemas tecnológicos y
económicos. En el último tercio del siglo XX se usaron en el programa Apollo de la
NASA. Actualmente, en la mayoría de las aplicaciones para pilas de combustible, dada
la lentitud dinámica de las mismas, suele existir una batería o un supe capacitor que
actué como filtro de las variaciones rápidas en el consumo de las cargas del sistema
de alimentación basado en dichas pilas de combustible. Las pilas trabajan pues, en un
nivel de generación de energía eléctrica constante o quasi-constante.
Uno de los objetivos de este proyecto es prescindir de esas baterías y hacer que la
pila de combustible entregue a la salida la potencia que se necesite en cada momento.
Para conseguirlo, debemos intentar controlar el caudal de combustible, en este caso,
hidrogeno.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.2.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Actualmente, varias investigaciones indican que la era de los combustibles fósiles
derivados del petróleo llegará a su fin en un periodo no mayor a cincuenta años,
inclusive se menciona que el pico máximo de extracción de petróleo en el ámbito
mundial ocurrió a finales de 2010 como se muestra en la figura 1.1
Figura 1.1: Cuando la producción mundial alcance su pico máximo se habrá acabado para siempre el
petróleo de bajo costo.
Se debe considerar que los combustibles fósiles además de su finitud tienen el serio
problema de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) producidos por su
combustión. El 75% del incremento en la concentración de GEI se debe a los
combustibles fósiles. En la figura 1.2 se muestra la evolución de las emisiones
mundiales de CO2 de 1960 a 2007, en millones de toneladas per cápita. También se
debe considerar el cambio climático ocasionado por la acumulación de los GEI, como
se indica en la figura 1.3, en los últimos diez años se han presentado los días más
calurosos desde 1900.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Figura 1.2: Emisiones de CO2 en millones de toneladas per cápita en el mundo.
Figura 1.3: Aumento de la temperatura en el mundo de 1900 a 2010.
Por lo anterior, se vuelve urgente la investigación y el desarrollo de las fuentes de
energía renovables (FER), con la finalidad de tener una diversificación y transición
energética que conduzca a un desarrollo sustentable. Así, se busca que las
tecnologías que utilizan las FER nos permitan llevar a cabo las actividades cotidianas
sin el uso de combustibles fósiles y por tanto se cuente con un menor impacto
ambiental.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
La energía renovable fluye envuelta en un fenómeno natural tan como la luz solar,
viento, olas o bien, calor geotérmico. Cada una de estas fuentes cuenta con
características únicas en las cuales influye el cómo y dónde son utilizadas.
Por lo cual, se han empezado a considerar enormemente la sustitución de las actuales
plantas de energía eléctrica convencional por instalaciones capaces de obtener dicha
energía de las FER. Además, en los hogares se está optando por el uso de
calentadores solares, disminuyendo así el consumo de gas LP o gas natural. Lo
anterior, son aplicaciones de las FER a nivel domestico e industrial.
Aquí nos centraremos en los combustibles alternativos, conocidos también como
combustibles no convencionales o sustitutivos, son cualquier material o sustancia que
puede ser utilizada como un combustible. Los combustibles convencionales incluyen,
combustibles fósiles (petróleo, aceite, carbón, propano, etc.).
Algunos combustibles alternativos incluyen al biodiesel, etanol, butanol, electricidad
almacenada químicamente (baterías y celdas solares), hidrógeno, metanol, gas
natural, etc.
1.3.
OBJETIVO DEL PROYECTO.
El objetivo principal del proyecto es controlar el caudal de hidrogeno que alimenta la
pila en función de las necesidades energéticas.
Se pretende conseguir un funcionamiento correcto de dos fuentes de energía, en este
caso, una pila de combustible y un banco de baterías. Para eso necesitamos saber el
estado de carga de las baterías, cantidad de combustible para la pila, presión y caudal
del combustible, etc., así como, tensión y corriente de salida de ambas fuentes, para
este nos apoyaremos en una serie de sensores y acoplamientos electrónicos mediante
amplificadores operacionales para adaptar las señales a rangos aceptables por el
microcontrolador.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.4.
COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS: VENTAJAS Y DESVENTAJAS.
1.4.1. Biodiesel.
Es un biocombustible que se obtiene a partir de aceites naturales o de grasas
animales mediante una serie de procesos llevados a cabo en las plantas de biodiesel.
Se trata de una fuente de energía renovable y económicamente viable que contribuye
a la conservación del medio ambiente. Está catalogada como la alternativa a los
combustibles fósiles.
El biodiesel puede ser utilizado por todos los vehículos que utilicen combustible diesel
sin hacer ningún cambio en el motor. Pero siempre que sea mezclado con gasoil y
nunca en estado puro.
Para ello sólo deben cambiarse los manguitos y otros conductores de caucho que
llegan al motor ya que el biodiesel es más fuerte que el gasoil y deteriora las piezas
fabricadas con ese componente.
El biodiesel nace del aceite natural procedente de plantas como el girasol, la colza o el
maíz aunque también puede proceder del reciclaje del aceite utilizado para el consumo
humano.
En primer lugar se extrae el aceite de la semilla de la planta. Posteriormente pasa por
el proceso de refinado en el que el aceite se vuelve más fino y puro.
El proceso transesterificación consiste en mezclar el aceite vegetal con metanol, que
es un alcohol ligero. El resultado de la mezcla recibe el nombre de éster metílico.
Para finalizar, el éster metílico deja como residuo la glicerina que es un producto
utilizado en como materia prima en gran número d empresas, como por ejemplo la
cosmética.
En la actualidad el mercado de biodiesel en España está produciendo alrededor del
medio millón de toneladas de este carburante ecológico.
10
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
El número de gasolineras que ofrece este combustible va en aumento. Puede
presentarse como biodiesel 100% puro o bien mediante mezclas con gasóleo de
diferentes porcentajes.
Ventajas.
La utilización del biodiesel puede ofrecer gran número de ventajas tanto al medio
ambiente como al vehículo que lo utiliza. Entre ellas se encuentra:
-
Es un combustible 100% ecológico que no daña al medio ambiente ya que está
compuesto totalmente por productos vegetales.
-
No posee azufre, que es una de las partículas más contaminantes del resto de
los combustibles.
-
Aporta mejoras en los automóviles como por ejemplo un mayor rendimiento del
motor.
-
Posee un mayor punto de inflamación que el gasoil con lo que en caso de
accidente su combustión es más tardía.
-
Es un carburante biodegradable por los que es compatible con la naturaleza y
en caso de accidente no se produce ninguna contaminación.
-
Es el único combustible alternativo a la utilización de gasóleo.
Desventajas.
El biodiesel también presenta algunas desventajas en el vehículo que lo utiliza, entre
las que destacan:
-
A bajas temperaturas puede llegar a solidificarse y producir obstrucciones en
los conductos.
-
Es incompatible con algunos materiales ya que en estado puro puede llegar a
dañar por ejemplo el caucho y algunas pinturas.
-
Su utilización produce la pérdida de potencia del vehículo.
11
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
-
Produce un mayor consumo en los vehículos debido a que tiene menos poder
calorífico y tarda más tiempo en su combustión.
1.4.2. Etanol.
Es un compuesto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares que
puede utilizarse como combustible, bien solo, o bien mezclado en cantidades variadas
con gasolina, y su uso se ha extendido principalmente para reemplazar el consumo de
derivados del petróleo.
El combustible resultante de la mezcla de etanol y gasolina se conoce como gasohol o
alconafta. Dos mezclas comunes son E10 y E85, con contenidos de etanol del 10% y
85%, respectivamente.
El etanol también se utiliza cada vez más como añadido para oxigenar la gasolina
estándar, reemplazando al éter metil tert-butílico (MTBE). Este último es responsable
de una considerable contaminación del suelo y del agua subterránea. También puede
utilizarse como combustible en las celdas de combustible.
Para la producción de etanol en el mundo se utiliza mayormente como fuente biomasa.
Este etanol es denominado, por su origen, bioetanol.
El etanol puede producirse a partir de un gran número de plantas, con una variación,
según el producto agrícola, del rendimiento entre el combustible consumido y el
generado en dicho proceso. Este etanol, conocido como bioetanol, está sujeto a una
fuerte polémica: para unos se perfila como un recurso energético potencialmente
sostenible que puede ofrecer ventajas medioambientales y económicas a largo plazo
en contraposición a los combustibles fósiles, mientras que para otros es el
responsable de grandes deforestaciones y del aumento del precio de los alimentos, al
suplantar selvas y terrenos agrícolas para su producción, dudando además de su
rentabilidad energética.
El etanol se obtiene fácilmente del azúcar o del almidón en cosechas de maíz y caña
de azúcar, entre otros. Sin embargo, los actuales métodos de producción de bioetanol
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
utilizan una cantidad significativa de energía en comparación con la energía obtenida
del combustible producido. Por esta razón, no es posible sustituir enteramente el
consumo actual de combustibles fósiles por bioetanol.
Ventajas.
-
Al ser renovable y producido localmente, el etanol permite disminuir la
dependencia del petróleo, lo que mejora la seguridad energética de los países.
-
Capacidad oxigenante de las gasolinas, mejora su octanaje de manera
considerable, lo que ayuda a descontaminar nuestras ciudades y a reducir los
gases causantes del efecto invernadero.
-
Al ser un aditivo oxigenante, el etanol también reemplaza a aditivos nocivos
para la salud humana.
-
El octanaje del etanol puro es de 113 y se quema mejor a altas compresiones
que la gasolina, por lo que da más poder a los motores.
-
El etanol actúa como un anticongelante en los motores, mejorando el arranque
del motor en frío y previniendo el congelamiento.
-
Aumenta el valor de los productos agrícolas de los que procede, mejorando así
los ingresos de los habitantes rurales.
Desventajas.
-
El etanol se consume de un 25% a un 30% más rápidamente que la gasolina;
para ser competitivo, por tanto, debe tener un menor precio por galón.
-
Cuando es producido a partir de caña de azúcar, en muchos lugares se
continúa con la práctica de quemar la caña antes de la cosecha, lo que libera
grandes cantidades de metano y óxido nitroso, dos gases que agravan el
calentamiento global.
-
Cuando el etanol es producido a partir de maíz, en su proceso de elaboración
se está utilizando gas natural o carbón para producir vapor y en el proceso de
13
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
cultivo se usan fertilizantes nitrogenados, herbicidas de origen fósil y
maquinaria agrícola pesada.
1.4.3. Butanol.
Podría ser el combustible del futuro. Así lo considera la petrolera BP, que se ha unido
a la química DuPont para producir y comercializar este alcohol, parecido al etanol, a
gran escala.
El creciente uso de los biocombustibles está llevando a las grandes empresas del
sector a utilizar todas las posibilidades a su alcance. Una de ellas es el butanol, un
alcohol similar al etanol (producido a partir del maíz y por el que se apuesta en
Estados Unidos) salvo que contiene dos átomos más de carbono. Algunos expertos lo
denominan "biobutanol", para remarcar su origen vegetal, puesto que el butanol puede
producirse también a partir de combustibles fósiles, con las mismas propiedades
químicas.
Ventajas.
Los expertos de BP y DuPont destacan sus ventajas con respecto al etanol:
-
Alcanza el 95% de energía que el mismo volumen de gasolina, mientras que el
etanol no pasa del 75%.
-
Se puede mezclar con la gasolina convencional, sin tener que hacer
adaptaciones en los coches, en una proporción mayor que el etanol.
-
Tolera mejor la contaminación por agua y es menos corrosivo que el etanol, por
lo que se puede mezclar directamente con la gasolina en la refinería y enviarlo
por las mismas infraestructuras petroleras de transporte, algo que no es posible
con el etanol.
14
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Desventajas.
-
Comparte las mismas desventajas que el etanol.
-
En la actualidad es más caro que la gasolina normal, sus responsables
esperan volverlo rentable en los próximos años.
1.4.4. Baterías y Celdas Solares.
A diferencia de un motor de combustión interna que está diseñado específicamente
para funcionar quemando combustible, un vehículo eléctrico obtiene la tracción de los
motores eléctricos, pero la energía puede ser suministrada por los siguientes:
 Energía eléctrica subministrada al vehículo cuando está parado, que es
almacenada a bordo con sistemas recargables, y que luego consumen durante
su desplazamiento. Las principales formas de almacenamiento son:
-
Energía química almacenada en las baterías como en el llamado
vehículo eléctrico de batería, especialmente en baterías de litio que
parece ser la tecnología más madura a día de hoy. Es preciso destacar
las nuevas inversiones que se están haciendo en el mayor yacimiento
de litio (Salar de Uyuni-Bolivia) para la fabricación de estas baterías.
-
Energía eléctrica almacenada en súper-condensadores. Tecnología aún
muy experimental.
 Energía generada a bordo usando energía solar generada con placas
fotovoltaicas, que es un método no contaminante durante la producción
eléctrica, mientras que los otros métodos descritos dependen de si la energía
que consumen proviene de fuentes renovables para poder decir si son o no
contaminantes.
Ventajas (Baterías).
-
No genera polución.
-
Tiene gran compatibilidad con otras tecnologías de generación de electricidad.
15
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
-
El coste es menor, ya que la electricidad es más económica que el
combustible.
-
Las baterías puedes ser recicladas.
Desventajas (Baterías).
-
Sique teniendo costes en los que a medioambiente se refiere.
-
La mayor desventaja del uso de baterías es el tiempo de recarga.
-
Otra desventaja de las baterías de un coche eléctrico es su peso.
Ventajas (Celdas solares).
-
Proporcionan una fuente de energía limpia.
Desventajas (Celdas Solares).
-
Es muy difícil para el sistema de almacenamiento de luz solar, conseguir
suficiente potencia para mover el coche.
-
Solo pueden llevar un pasajero, el peso extra disminuye mucho la potencia.
-
Deben estar al sol prácticamente todo el tiempo para funcionar correctamente.
-
La celda solar debe ser muy grande para poder recoger energía suficiente.
-
Son muy costosos.
1.4.5. Hidrógeno.
El empleo más importante del hidrógeno es en la síntesis del amoniaco. La utilización
del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de refinación del
petróleo, como el rompimiento por hidrógeno (hydrocracking), y en el tratamiento con
hidrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la
hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas
sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos
orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de
16
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y como un propulsor de cohetes
impulsados por energía nuclear. En la actualidad, el hidrogeno empieza a tomar un
papel importante como solución a los problemas de la contaminación.
La principal ventaja de la pila de combustible es su alto rendimiento de obtención de
energía eléctrica si se compara con un motor térmico convencional.
Ventajas.
-
Alta eficiencia. En cualquier caso superior al 40%.
-
Modularidad. Aumentos que pueden ser cubiertos ensamblando nuevas
unidades.
-
Nula emisión de contaminantes.
-
Nula contaminación acústica.
-
Por su modularidad y su mínimo nivel de ruido permite su emplazamiento en
cualquier lugar.
Desventajas.
-
Demanda actual no competitiva frente a otros.
-
Existen retos tecnológicos y de ingeniería que se deben resolver.
-
Sensibilidad frente a contaminantes. Disminución de su vida útil en caso de
impurezas.
1.4.6. Metanol.
El compuesto químico metanol, también conocido como alcohol metílico o alcohol de
madera, es el alcohol más sencillo. A temperatura ambiente se presenta como un
líquido ligero (de baja densidad), incoloro, inflamable y tóxico que se emplea como
anticongelante, disolvente y combustible. Su fórmula química es CH3OH.
El metanol tiene varios usos. Es un disolvente industrial y se emplea como materia
prima en la fabricación de formaldehido. El metanol también se emplea como
17
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
anticongelante en vehículos, combustible de bombonas de camping-gas, disolvente de
tintas, tintes, resinas, adhesivos y aspartamo. El metanol puede ser también añadido
al etanol para hacer que éste no sea apto para el consumo humano (el metanol es
altamente tóxico) y para vehículos de modelismo con motores de explosión.
El metanol es utilizado como combustible, principalmente al juntarlo con la gasolina.
Sin embargo, ha recibido menos atención que el etanol (combustible) porque tiene
algunos inconvenientes.
Ventajas.
-
Su principal ventaja es que puede ser fabricado fácilmente a partir del metano
(el principal componente del gas natural) así como por la pirolisis de muchos
materiales orgánicos.
Desventajas.
-
El problema de la pirolisis es que solamente es económicamente factible a
escala industrial.
-
El proceso alcanza temperaturas muy elevadas, con cierto riesgo de incendio.
-
El metanol es altamente tóxico, así que se debe tener siempre especial
cuidado de no ingerirlo, derramarlo sobre piel desnuda o inhalar los humos.
1.4.7. Gas Natural.
Para ser usado como combustible alterno a la gasolina el gas natural requiere de la
instalación de un equipo de conversión en el vehículo.
La conversión de un motor a gasolina para operar GNV no involucra ninguna
modificación del motor o remoción de algún componente, sino solo la incorporación de
los elementos adicionales.
Para operar con GNV se requiere de la conversión del vehículo y ésta se puede
efectuar en forma total (solo GNV), o en forma dual (GNV/gasolina). En ambos casos
el equipo para la conversión lo integran básicamente:
18
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
 Un cilindro de almacenamiento (o más, donde las condiciones del vehículo lo
permitan)
 Un regulador para reducir la alta presión en el cilindro.
 Un mezclador de aire-gas adaptado al carburador existente de gasolina.
 Un sistema de válvulas para el llenado y control del sistema.
 Componentes eléctricos:
-
El selector del combustible, ubicado en el tablero, opera los solenoides
de corte de gasolina y GNV dependiendo del combustible seleccionado
(sistema dual).
-
Indicador eléctrico de nivel.
-
Módulo de control de encendido, que adapta la curva de encendido del
vehículo a las características del gas natural (sistema dual).
Asimismo existen tecnologías disponibles para la conversión de motores de inyección
de gasolina, así como de motores diesel bajo las modalidades de mezclas de
combustibles y de modificación del motor a encendido por chispa para operar sólo a
GNV.
Ventajas
-
Economía para el usuario; por su menor costo de producción, el gas natural
siempre será más económico que los combustibles tradicionales.
-
Ahorros en los costos de mantenimiento del vehículo ya que incrementa la vida
de ciertos elementos como bujías, sistema de escape, carburador, así como
del lubricante.
-
Protección del medio ambiente; Por ser el gas natural un combustible limpio,
los productos resultantes de su combustión producen menor contaminación del
ambiente, en comparación con otros combustibles automotores como la
gasolina y el diesel.
-
Transporte y distribución; Aprovechamiento de la infraestructura existente.
19
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
-
Confiabilidad del producto; El suministro al delta del GNV es mucho más
seguro y confiable que el de los otros combustibles automotores, ya que la
recepción del producto se realiza directamente a través de las redes de gas y
no por camiones cisternas.
Desventajas.
-
Peso/Volumen de los cilindros; El cilindro de almacenamiento del gas, significa
un peso y espacio adicional que se traduce a una reducción de carga del
vehículo, siendo esto particularmente crítico para los carros pequeños.
-
Perdida de aceleración; Por sus características, el gas natural produce una
pérdida de potencia en el vehículo de aproximadamente 15%, la cual se hace
más manifiesta en la etapa de arranque del mismo, en los vehículos con
motores de baja cilindrada.
Después de saber cuáles son las ventajas y desventajas de los principales
combustibles alternativos que pudieran sustituir a los combustibles fósiles, he optado
por el hidrogeno, como ya sabemos es una tecnología aun por madurar, pero su punto
fuerte es que se puede obtener hidrogeno 100% limpio ya que es una tecnología
compatible con otras fuentes de energía renovable.
20
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.5.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA.
Computadora
de a bordo
Control
Válvula
DATOS
Ciclo de Trabajo
DATOS
Banco de
baterías
Convertidor
DC/DC
V+
Velocidad
Ventiladores
CARGA
Interfaz
electrónica de
control
VCONVERTIDOR
TPILA
Caudal y
Presión
VPILA
Ventiladores
O
H2
Sensores y
Válvula de
Control
H2
Pila de
Combustible
V+
Sensor y
Elevador de
Tensión
V+
Convertidor
DC/DC
H2O
Tanque de
Hidrogeno
El sistema consta de dos partes bien diferenciadas, la planta y la electrónica que la
controla y monitoriza. La planta está formada por el tanque de hidrogeno, la pila de
combustible, el banco de baterías, los sensores y la carga (motores). La parte de la
electrónica también se puede dividir en diferentes partes, para hacer esto se usan los
requisitos para cada parte.
21
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Una de los componentes más importantes del sistema es la computadora de a bordo,
que es la que se encarga de recibir, procesar y enviar las señales a todo el sistema.
Después tenemos las dos fuentes de energía, un banco de baterías y la pila de
combustible. Los sensores son los encargados de mantener informados tanto al
computador como al conductor; sin embargo una de las piezas claves para la entrega
de esta energía en fuerza mecánica son los motores, los cuales están gobernados por
unos convertidores DC/DC.
Pero la parte que nos interesa y la cual es el motivo de este trabajo, es la interfaz
electrónica de control, la cual es capaz de controlar la disposición de energía obtenida
de la pila de combustible y poder disponer de esta de manera eficiente, apoyándonos
de todo lo que se dispone en la planta y circuitos auxiliares.
1.5.1. Descripción de la planta
La planta es un vehículo hibrido de banco de baterías y pila de combustible, el banco
de baterías es capaz de almacenar una tensión de 48 V y la pila de combustible
obtiene el hidrogeno de un tanque colocado en la parte trasera.
El tanque está conectado a la pila de combustible, para esto debemos usar una serie
de sensores y válvulas que se encargan del flujo de hidrogeno hacia la pila de
combustible.
La pila de combustible entrega una tensión a su salida de 31.5 V, la cual es
insuficiente ya que debemos igualar la tensión que esta almacenada en las baterías,
esto se logra con un circuito elevador de tensión que nos ayuda a obtener los 48 V
necesarios para los convertidores DC/DC los cuales a su vez entregan la energía
necesaria a los motores montados en el vehículo.
Todo está gobernado por una computadora de a bordo, la cual está constituida por un
microcontrolador de la empresa MICROCHIP.
22
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.6.
REQUISITOS DEL DISEÑO.
El principal requisito es conseguir que la tensión de la pila de combustible sea lo más
estable posible, sin importar la carga que tenga conectada.
Sobredimensionar las fuentes, tenido en cuenta la posible utilización de circuitos
adicionales.
El convertidor elevador, tiene que elevar la tensión que entrega la pila de combustible
entre 42V – 48V, ya que es el rango común que se usa en el sector de la automoción.
1.7.
PILAS DE COMBUSTIBLE.
1.7.1. Funcionamiento.
Las pilas de combustible es un sistema electroquímico de conversión de energía
similar a la batería, pero se diferencia de esta ultima en que está diseñada para
permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce
electricidad de una fuente externa de combustible y oxigeno en contraposición a la
capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además,
los electrodos en una batería reaccionan y cambian según como este de cargada o
descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y
relativamente estables.
Los reactivos típicos utilizados en una celda de combustible son hidrogeno en el ánodo
y oxigeno en el cátodo. Por otra, las baterías convencionales consumen reactivos
sólidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con
electricidad. Generalmente los reactivos “fluyen hacia adentro” y los productos de la
reacción “fluyen hacia afuera”. La operación a largo plazo virtualmente continua es
factible mientras se mantengan estos flujos.
Su principio de funcionamiento es inverso a la electrolisis. En la electrolisis del agua,
se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrogeno y oxigeno, mientras
que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la
reacción entre estos dos gases:
23
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
HIDROGENO + OXIGENO  ELECTRICIDAD + AGUA
El sistema opera con dos tipos de gases, combustible y oxidante, que pasan a través
de la superficie del ánodo y cátodo opuestas al electrolito, respectivamente, generan
energía eléctrica por oxidación electroquímica del combustible y la reducción
electroquímica del oxidante. Se transforma entonces la energía química almacenada
en el enlace H – H de la molécula H2, en energía eléctrica y vapor de agua.
Este nuevo concepto ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología clásica de
combustión, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles de 40 – 70%,
sino también porque la única emisión producida es vapor de agua. Los automóviles
que utilizan H2 como combustible son un 22% más eficiente que los movidos por
gasolina.
Dicho aumento de eficiencia se debe tanto a la mayor riqueza energética del
combustible, como al hecho de que la energía se aprovecha directamente, pues no se
recorre el ciclo de Carnot, como en otras maquinas y motores térmicos.
Las pilas de combustible están constituidas por un conjunto de celdas apiladas, cada
una de las cuales posee un ánodo y un cátodo, separados por un electrolito que facilita
la transferencia iónica entre estos. Cada una de las sustancias que participan en la
reacción es alimentada a su respectivo electrodo. Allí los reactivos se transforman, de
acuerdo con las reacciones que se muestran en la siguiente figura:
24
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Se genera de esta forma una corriente eléctrica entre ambos electrodos que, a
diferencia de lo que ocurre en una pila o batería convencional, no se agota con el
tiempo de funcionamiento, sino que se prolonga mientras continúe el suministro de los
reactivos.
En la figura anterior, se puede observar el efecto que tiene el caudal de hidrogeno
sobre la corriente de salida, se observa que para mantener la misma tensión de salida,
si la corriente varia se debe variar el caudal para mantener la tensión de salida de la
pila de combustible de pendiendo de la corriente que demande la carga.
25
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
En la figura 1.3 se observa que las variaciones de presión hacen variar el punto de
trabajo de la pila de combustible pero con menos rango de variación como se vio
anteriormente si se manipula el caudal.
1.7.2. Tipos de pila de combustible.
Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito empleado. Dependiendo
del electrolito, se producirán diferentes reacciones químicas en la propia pila, así como
diferentes agentes catalíticos, rangos de temperatura, combustible requerido y algunos
otros factores. Estas características, a su vez, determinan el tipo de aplicaciones para
las que son más apropiadas esas pilas. Actualmente se está investigando en varios
tipos de pilas de combustible, con sus ventajas, limitaciones y posibles aplicaciones.
Entre las más comunes están:
-
Membrana Polimérica (PEM)
-
Acido Fosfórico (PAFC)
-
Conversión Directa de Metanol (DMFC)
-
Alcalina (AFC)
-
Carbonato Fundido (MCFC)
-
Oxido Solido (SOFC)
-
Reversible (Regenerativa)
En la siguiente tabla, se pueden observar las principales características de estas pilas:
26
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.7.2.1.
Membrana Polimérica (PEM).
Este tipo de pila proporciona una
densidad energética elevada y tienen
la ventaja de ser ligeras y tener un
tamaño pequeño, si se les compara
con otras pilas. Esta membrana ha de
estar siempre hidratada para facilitar el
desplazamiento de los iones debido el
tipo de electrolito empleado. Las pilas
PEM usan como electrolito un polímero solido y electrodos porosos de carbono que
contienen un catalizador de platino. Necesitan hidrogeno y oxigeno, y no requieren del
uso de fluidos corrosivos como otras pilas de combustible. Normalmente usan
hidrogeno puro como combustible almacenado en depósitos o convertidores
incorporados.
Las pilas PEM operan relativamente a bajas temperaturas, 60 – 100⁰C. Esto permite
que arranquen rápidamente al necesitar menos tiempo de calentamiento. Esto
representa una ventaja, ya que supone un menor desgaste de los componentes del
sistema, y por lo tanto aumenta la duración del mismo.
El catalizador de platino es extremadamente sensible a la contaminación por CO y si
esto ocurre, el nivel de eficiencia baja drásticamente, por lo que es necesario utilizar
un reactor adicional para reducir el nivel de CO en el gas combustible.
Actualmente, se está estudiando reemplazar estos catalizadores por los de
platino/rutenio, que presenta más resistencia a la contaminación por CO.
Las pilas PEM se usan fundamentalmente para aplicaciones en el transporte e
instalaciones estacionarias. Debido a su rapidez para el arranque, baja sensibilidad a
la rotación, y su relación favorable entre peso y energía producida, las pilas PEM son
especialmente adecuadas para su uso en vehículos de pasajeros como por ejemplo
coches y autobuses. Pueden generar una potencia entre 5 – 250 kW.
27
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.7.2.2.
Acido Fosfórico (PAFC).
Es
considerada
como
la
primera
generación de pilas de combustible
modernas. Es uno de los tipos de pilas
de combustible más desarrollados y el
más usado en la actualidad. Este tipo
de pilas se usa principalmente en la
generación de energía estacionaria,
pero
también
se
ha
usado
en
vehículos pesados como los autobuses urbanos.
Estas pilas utilizan acido fosfórico liquido como electrolito y electrodos de carbono
poroso que contienen un catalizador de platino.
Las pilas PAFC son menos sensibles a la contaminación de CO que las pilas PEM.
Presentan una eficiencia del 85% cuando se utilizan como generadores de energía
eléctrica y calórica, pero son menos eficaces cuando generan solo energía eléctrica
(37 – 42%). La diferencia en su eficacia con las plantas energéticas de combustión en
muy pequeña (33 – 35%).
También producen menos energía que otras pilas a igualdad de peso y volumen. Por
este motivo, estas pilas normalmente presentan gran tamaño y peso y son más caras.
Una pila de combustible de acido fosfórico cuesta normalmente entre 3500 y 4000 €.
28
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.7.2.3.
Conversión Directa de Metanol (DMFC).
La mayoría de las pilas funcionan con
hidrogeno,
que
se
puede
suministrar
directamente en el sistema de la pila, o ser
generado
dentro
de
la
misma
pila
convirtiendo combustibles ricos en hidrogeno.
Sin embargo, las pilas de combustible de
metanol directo, funcionan con metanol puro
mezclado con vapor de agua y suministrado
directamente al ánodo de la pila, con lo que se evita tener que quemar hidrocarburos
para la obtención del H2, que supone un gasto energético extra.
Usa el nafion como electrolito y la temperatura de trabajo está entre 60 y 100⁰C.
Las pilas DMFC, no tiene muchos de los problemas de almacenamiento que tienen
otras pilas, ya que el metanol tiene mayor densidad energética que el hidrogeno. El
metanol al ser líquido como la gasolina, es también más fácil de transportar y
suministrar al público usando la infraestructura ya existente.
Esta tecnología es relativamente nueva si se compara con la de otras pilas de
combustible que funcionan con hidrogeno, y su investigación y desarrollo va 3 ó 4
años por detrás de las otras pilas de combustible.
29
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.7.2.4.
Alcalina (AFC).
Las pilas de combustible alcalinas fueron una
de las primeras pilas de combustible en ser
desarrolladas, y el primer tipo usado de forma
extensiva en el programa espacial de Estados
Unidos para producir energía eléctrica y agua
a bordo de las naves espaciales. Estas pilas
de combustible utilizan una solución de
hidróxido de potasio en agua como electrolito y
pueden usar una gran variedad de metales no
preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo al trabajar a altas Temperaturas.
Las pilas alcalinas de altas temperaturas pueden funcionar a temperaturas entre
100ºC y 250ºC.
Diseños más modernos de estas pilas funcionan a temperaturas más bajas, entre
23ºC y70ºC aproximadamente. Usa un electrolito de hidróxido de potasio concentrado
(35-50%) y los catalizadores pueden ser plata, níquel, óxidos metálicos, etc.
Las pilas alcalinas son de alto rendimiento debido a la velocidad a la que tienen lugar
las reacciones que se producen en ellas. También son muy eficientes, alcanzando un
rendimiento 70% en aplicaciones espaciales. La potencia que pueden generar va entre
10-150kW.
Su desventaja reside en su sensibilidad a la contaminación por dióxido de carbono
(CO2). Si el dióxido de carbono entrara en contacto con el KOH, éste lo absorbería
formando carbonato potásico, reduciendo la eficiencia de la pila. Incluso una pequeña
cantidad de CO2 en el aire puede afectar el funcionamiento de la pila, haciendo
necesario purificar tanto el hidrógeno como el oxígeno utilizados. Este proceso de
purificación incrementa el coste de la pila, y además duran menos debido a la
susceptibilidad que presentan a este tipo de contaminación.
30
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
En ambientes como el espacio o el fondo del mar, esta desventaja no tiene lugar. Sin
embargo, para competir en mercados más generales, estas pilas de combustible
tendrán que hacerse más rentables. Las pilas alcalinas han demostrado ser
suficientemente estables durante más de 8.000 horas de funcionamiento. Para ser
viables desde el punto de vista económico en aplicaciones útiles a gran escala, tienen
que superar las 40.000horas. Posiblemente, éste es el obstáculo más significativo para
la comercialización de esta tecnología.
1.7.2.5.
Carbonato Fundido (MCFC).
Las pilas que usan como electrolito una
solución liquida de carbonatos de litio,
sodio y potasio se denominan pilas de
combustible de carbonato fundido. Los
compuestos carbonatados se encuentran
en
una
matriz
cerámica
porosa
químicamente inerte de oxido de litio –
aluminio.
Las pilas requieren elevadas temperaturas
para operar, situándose esta entre 600 y
1000⁰C. Estas temperaturas hacen posible la utilización de metales que no son nobles
como catalizadores. La omisión de este tipo de elementos hace que el coste disminuya
en una gran proporción.
Este tipo de pilas presenta un rendimiento superior que las de acido fosfórico cuando
son utilizadas para la obtención de energía eléctrica. Además también tienen un coste
menor, lo que las hace más ventajosas para sistemas de generación estacionaria. Sin
embargo, el uso de las pilas MCFC para la generación conjunta de energía eléctrica y
calorífica es similar a las PAFC.
31
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Las elevadas temperaturas a las que es capaz de operar hacen posible el uso de
diferentes combustibles como pueden ser el hidrogeno, el monóxido de carbono, el
gas natural y el propano entre otros. Esto también otorga a este tipo de pilas una
elevada resistencia a impurezas, aunque tienen sensibilidad a los compuestos
contaminantes del carbono como el azufre y las partículas.
1.7.2.6.
Oxido Solido (SOFC).
Diseñadas para ser usadas en
aplicaciones
centrales
grandes,
industriales,
como
las
pilas
SOFC usan como electrolito un
componente duro y no poroso.
El uso de un componente solido
hace que no se requiera de la
construcción de una configuración laminar. A pesar de tener un rendimiento un poco
menor que las MCFC, las pilas SOFC pueden operar a una temperatura similar, siendo
mayor el punto optimo que se sitúa en los 1000⁰C en vez de los 650⁰C de las MCFC.
Estas pilas son resistentes a los componentes de azufre y son capaces de convertir
los compuestos internamente. De esta forma pueden usar diferentes compuestos
como combustibles al igual que ocurría en al MCFC.
Las temperaturas extremadamente elevadas crean varios inconvenientes entre los que
se pueden destacar la baja vida útil, el arranque lento, la imposibilidad de ser usada en
los medios de transporte. El avance tecnológico que requieren las pilas SOFC consiste
en la obtención de materiales resistentes a esta temperatura a bajo coste.
1.7.2.7.
Reversible (Regenerativa).
Las pilas de combustible reversibles producen electricidad a partir del hidrogeno y el
oxigeno y generan calor y agua como bioproductos, al igual que otras pilas de
32
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
combustible. No obstante, las pilas de combustible regenerativas pueden usar también
electricidad procedente de la energía solar o de otra fuente para dividir el exceso de
agua en combustible de oxigeno e hidrogeno por electrolisis. Este es un tipo depila
relativamente nuevo que está siendo desarrollado por la NASA y otros grupos de
investigación.
A continuación, se hace una breve comparativa de los tipos de pilas vistos
anteriormente:
33
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.8.
DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA.
1.8.1. Pila de combustible.
La pila de combustible que se
instalaría en el vehículo es de la
marca SERENERGY. Es de la
serie SERENUS diseñado para
este tipo de aplicación, es del
tipo PEM con un total de 64
celdas y unas medidas de 178 mm/159 mm/523 mm (altura/ancho/longitud), tiene una
temperatura de operación máxima de 175 °C y la presión de funcionamiento es de 50 75 mbar.
1.8.2. Válvula proporcional.
La válvula que he considerado para
este proyecto es de la casa ASCO
de la serie 256. Esta válvula
proporciona
un
caudal
variable
proporcional a la señal de mando
que le enviaría el microcontrolador,
pero la señal que se obtiene del
microcontrolador es de 0 a 5 V, por
lo que en la placa de adquisición de
datos se necesitara colocar un
elevador de tensión para pasar los 5 V a los 24 V que se necesitan para controlar esta
válvula.
La válvula puede dar un caudal máximo de 2.16 l/min, suficiente para el sistema ya
que el consumo promedio de una pila de combustible para esta aplicación es de 2
l/min.
34
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.8.3. Sensor de presión.
El sensor propuesto está fabricado por STW,
su rango de medida de 0 a 25 bares, se
pueden utilizar dos tipos de conexión, a dos y tres hilos, yo he optado por utilizar la de
tres hilos, como se muestra en la figura, dando una salida de 4 a 20 mA.
El sensor puede ser alimentado con una tensión de 9 – 30 V, en este caso con 24 V
que proporcionara una de las fuentes de alimentación. Esta señal es una variable a
tomar por el microcontrolador.
1.8.4. Sensor de caudal.
El sensor de caudal elegido para este sistema es de la marca
SPIRAX SARCO, modelo Vortex VFM 3000.
Este sensor está fabricado para medir una gran variedad de
gases, entre los que se encuentra el hidrogeno, con una salida de
4 – 20 mA.
1.8.5. Fuente de alimentación.
Para alimentar el sistema se necesitan 2 tensiones diferentes:
 ±5 V. La tensión simétrica se utiliza para alimentar los amplificadores de
instrumentación, el microcontrolador utiliza únicamente la tensión de +5 V.
 +24 V. Esta tensión se utiliza para alimentar la planta. Los sensores, el sistema
de refrigeración de la pila de combustible y la válvula proporcional.
Las fuentes de +5 V y 24 V forman la placa que se denominara “fuentes de
alimentación”. La tensión de -5 V se obtiene mediante el uso de un LM2576-5.0 en
35
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
modo buck-boost invertido, el circuito nos lo proporciona el fabricante junto con los
componentes a usar por lo que no se necesitara hacer ningún cálculo.
1.8.5.1.
Fuente de alimentación de ±5 V.
Para la tensión de 5 V se calculo una corriente de 2 A, por lo tanto, la idea de usar un
regulador lineal como el caso del LM7805 se ha desechado, debido a que las
corrientes que se pueden presentar en el circuito, este se calentaría en exceso. Por lo
que, se decidió utilizar una fuente conmutada del tipo buck. Entre los diferentes tipos
de reguladores existentes en el mercado, he usado el LM2576-5.0 ya que soporta
corrientes de hasta 3 A.
Otra de las ventajas de este regulador es la sencillez de diseño y montaje, ya que se
necesitan muy pocos componentes para su funcionamiento, comparado con otras
soluciones.
Para alimentar los amplificadores de instrumentación se ha utilizado una tensión
simétrica. Los amplificadores de instrumentación utilizados pueden ser usados con
tensiones asimétricas, pero al hacer esto aparece una pequeña tensión de offset a la
salida del amplificador, por lo que he preferido el uso de la tensión simétrica para
evitar complicaciones.
36
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.8.5.2.
Fuente de alimentación de 24 V.
Ya que esta fuente será la que alimente los dispositivos instalados en la planta, será
necesaria una elevada corriente de salida y se pretende sobredimensionarla para
poder conectar otros circuitos o dispositivos en un futuro, por lo tanto también se usara
una fuente conmutada. Para esta fuente se uso el regulador LM2576-ADJ, este
regulador conmutado proporciona en la salida una tensión que se fija gracias a un
simple divisor de tensión. El regulador ajustable permite tener una tensión de entre
1.23 V y 37 V a la salida.
1.8.6. Adquisición de datos.
Se encarga de hacer el enlace entre la planta y el sistema de control, a grandes
rasgos tiene cinco funciones diferentes, cuatro de ellas son adecuar las señales que
provienen de la planta para ser enviadas al microcontrolador y la última función es
elevar la tensión que proporciona el microcontrolador a la que necesita la válvula para
funcionar.
Las cuatro señales provenientes de la planta son la tensión y la corriente de salida de
la pila de combustible, el caudal y la presión del hidrogeno.
1.8.6.1.
Adquisición de la tensión de la pila de combustible.
37
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Para obtener la tensión de la pila de combustible y enviarla al microcontrolador se
utiliza un circuito con dos divisores de tensión. El primer divisor de tensión reduce los
48 V máximos que podemos tener a la salida de la pila a los 5 V que podemos
conectar a la entrada del microcontrolador.
1.8.6.2.
Adquisición de la corriente de la pila de combustible.
Para la medida de la corriente de la pila se ha utilizado una resistencia de poco valor
óhmico, en seria con el circuito de carga que alimenta la pila de combustible. La
resistencia se conecta entre la carga y la masa del circuito para que las tensiones en
bornes de la resistencia sensora sean menores. Esta resistencia tiene que tener una
potencia bastante elevada, ya que la corriente que pasara a través de ella será
elevada. Mediante un amplificador de instrumentación se calcula la diferencia de
potencial en los extremos de esta resistencia y sabiendo la diferencia de potencial y el
valor óhmico se obtiene una tensión proporcional a la corriente que pasa por ella. La
diferencia de potencial en bornes de la resistencia sensora en una tensión de poco
valor, del orden de los milivoltios, para elevar esta tensión hasta valores cercanos a los
5 V se le da una ganancia al amplificador de instrumentación. La tensión de salida del
amplificador tendrá un valor máximo de 5 V, por lo tanto se puede conectar
directamente al microcontrolador.
38
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.8.6.3.
Adquisición de la presión de hidrogeno.
Para poder adecuar la señal que proviene del sensor de presión se ha utilizado una
resistencia de 250 Ω para transformar la señal de 4 – 20 mA en una tensión de 1 – 5
V, esta tensión se conecta a un amplificador de instrumentación, al cual se le introduce
1 V por la entrada negativa para referenciar la señal a 0 V, quedándonos así una señal
de 0 – 4 V, siendo 4 la máxima presión. La salida del amplificador de presión va
directa al microcontrolador.
1.8.6.4.
Adquisición del caudal de hidrogeno.
Para el caso del caudal se realiza lo mismo que se hizo para obtener la señal de
presión, se adecua la señal enviada por el medidor de caudal por medio de una
39
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
resistencia de 250 Ω para transformar los 4 – 20 mA en una tensión de 1 – 5 V, se le
introduce 1 V por la entrada negativa del amplificador, quedándonos una salida de 0 –
4 V siendo este el valor máximo de caudal, para este caso en particular seria 2.0 l/min,
que es el rango que consumirá la pila de combustible en condiciones estándar.
1.8.6.5.
Elevador de tensión para la válvula proporcional.
La válvula que sirve para controlar el caudal de hidrogeno necesita una tensión
variable entre 0 y 24 V para dar un caudal proporcional a esta tensión. La salida que
se obtiene del convertidor D/A usado para obtener la señal de control del
microcontrolador es de 2.56 V, y se eleva a 5 V con un amplificador no inversor de
ganancia 2.
El funcionamiento del circuito es muy sencillo, tiene un divisor de tensión que adecua
la tensión de salida del circuito para que mediante el amplificador operacional se
compare con la tensión que proviene del microcontrolador. El amplificador se irá
saturando positivamente, cuando la tensión de salida sea menor que la deseada. La
salida del operacional actúa sobre la base del transistor de potencia, el cual conducirá
cada vez que el operacional se sature positivamente, es decir, cada vez que la tensión
de salida sea menor que la deseada.
40
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
1.8.6.6.
Adquisición de tensión y corriente del convertidor DC/DC.
Para la adquisición de la corriente se usa una resistencia de bajo valor óhmico, al igual
que en la obtención de la corriente de salida de la pila de combustible, el problema se
encuentra en la tensión de salida del convertidor ya que será de 48 V y la máxima
admitida por el microcontrolador y el amplificador de instrumentación es de 5 V. Por lo
que se utilizan dos divisores de tensión idénticos para rebajar las tensiones que se
obtienen en la resistencia sensora y obtener como máximo 5 V.
La tensión diferencial que se obtiene en la resistencia sensora será de valor muy bajo,
por lo que volvemos a recurrir a un amplificador de instrumentación para obtener una
tensión suficiente para que el microcontrolador no tenga problemas en leerla
correctamente.
1.8.7. Microcontrolador.
El circuito del microcontrolador será el encargado de realizar el control del caudal de
hidrogeno en función de la tensión de salida, también es el principal objetivo de este
proyecto. También controla el ciclo de trabajo del convertidor DC/DC para mantener
una tensión de salida de 48 V, para hacer este control utiliza la información
41
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
proporcionada por la planta, estas señales se pueden introducir directamente al
microcontrolador ya que como se vio anteriormente viene preparadas para que son
sobrepasen los 5 V que maneja como máximo el microcontrolador.
El microcontrolador elegido es el PIC16F877, es un microcontrolador muy completo y
tiene lo necesario para el control de este sistema. De los periféricos que tiene este
microcontrolador se han utilizado los siguientes:
 Entradas analógicas: tiene 8 entradas analógicas, las cuales las convierte a
un número de 10 bits. Solo se han usado 6 de estas entradas.
 Salidas digitales: se han utiliza el puerto D de 8 bits como salida para el
control de la apertura de la válvula proporcional, pero ya que la válvula necesita
una señal analógica se usa un convertidor D/A para obtener la señal de control
definitiva.
42
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
 Temporizadores: este microcontrolador dispone de tres temporizadores, en
este caso solo se usara dos de ellos, uno para controlar los tiempos del
programa y otro para obtener la señal PWM.
 Modulo PWM: tiene dos módulos PWM, en este sistema se usa uno, se fijo
mediante el programa una frecuencia de 50 kHz y dependiendo de la tensión
de salida del convertidor se regulara el ciclo de trabajo para mantener los 48 V
a la salida.
Se ha utilizado MPLAB IDE v8.88 para la realización del programa de control,
compilación y grabación del PIC.
1.8.7.1.
Convertidor D/A.
Para obtener la señal de control de la válvula proporcional se debe conectar la señal
digital de 8 bits que proporciona el microcontrolador a un convertidor D/A para obtener
la señal analógica, se ha escogido el circuito AD557, es un convertidor D/A para
utilizar con microprocesadores, tiene entradas de control CS y CE, pero para este
sistema no se usaran. Este dispositivo no necesita de circuitería exterior para
funcionar, el único problema es que solo maneja tensiones de salida de 0 a 2.56 V, por
eso a su salida se ha conectado un amplificador no inversor con una ganancia de 2
43
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
para obtener un señal final de salida de 0 – 5 V con una señal de salida del
microcontrolador de 00 a FF.
1.8.8. Convertidor DC/DC para la pila de combustible.
Para poder elevar la tensión obtenida de la pila de combustible de 31.5 V a los 48 V
que necesita la planta, se usa un convertidor DC/DC. El convertidor consta de dos
circuitos, el propio convertidor y el dispositivo encargado de los disparos del transistor
o “driver”, que es el circuito encargado de elevar la señal PWM que viene del
microcontrolador a un nivel suficiente para poder disparar el MOSFET.
1.8.8.1.
Convertidor boost.
Al ser necesario una tensión mayor a la entregada por la pila de combustible, hace
necesario el uso de un convertidor tipo boost o elevador. La forma más sencilla de ver
el funcionamiento del circuito es analizando sus dos estados, cuando el MOSFET está
en conducción y cuando no lo está, mediante dos circuitos simples:
44
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Como la tensión media en la bobina es 0, tenemos:
Con la ecuación que se ha obtenido ya se puede calcular el ciclo de trabajo necesrio
para obtener la tensión de salida que se desee.
1.8.8.2.
Driver
El circuito driver se utiliza para elevar la señal PWM que se obtiene del
microcontrolador a una señal que tenga potencia suficiente para disparar el transistor
MOSFET. La primera parte es un amplificador operacional que compara la tensión del
microcontrolador con una tensión fija, cuando la tensión del microcontrolador es
superior a la de referencia el amplificador operacional se satura positivamente y si es
inferior, negativamente; transformando la señal cuadrada de 5 V de amplitud que da el
microcontrolador en una señal con la amplitud necesaria para disparar el MOSFET.
45
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Los transistores bipolares elevan la corriente de la señal, ya que la corriente de salida
del operacional no será suficiente para hacer el disparo. El diodo zener sirve para
proteger la puerta del MOSFET de sobretensiones.
1.8.8.3.
Fuente de alimentación de 15 V
Esta fuente solo es utilizada por el driver para generar lo pulsos de disparo, por lo
tanto, estará integrada en la misma placa junto al convertidor boost. Ya que no es
necesaria mucha potencia, se decidió usar un regulador lineal de tensión. El regulador
es de la familia 78XX, en concreto el 7815 que proporciona la salida de 15 V.
En este caso la corriente no es muy elevada por lo que no es necesario el uso de
disipador de calor.
Para filtrar la tensión de entrada se utiliza un condensador de 1000 µF, para la salida
se ha optado por dos condensadores de poliéster uno de 3.3 µF y otro de 100 nF para
filtrar las posibles altas frecuencias. No olvidemos que el driver funciona a 50 kHz.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2. Calculo Y Diseño.
2.1.
DISEÑO DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN.
2.1.1. Consumo del sistema.
Para el dimensionado de las fuentes de alimentación, es necesario conocer el
consumo máximo del sistema.
2.1.1.1.
Tensiones de 5 V.
Para la fuente de 5 V los consumos de los semiconductores se obtienen de las hojas
de características de los fabricantes:
Componentes
Microcontrolador
AD557
AD623
Amplificador operacional
Consumo (mA)
150
25
3
15
Nº de Componentes
1
1
4
3
TOTAL
Total (mA)
150
25
12
45
232
El consumo teórico para la tensión de 5 V es de 232 mA, pero se debe tomar en
cuenta las perdidas y las caídas de tensión en las resistencias, por lo que bastaría con
una fuente de 1 A. Debido a que se pueden presentar futuras aplicaciones o
integración de nuevos dispositivos a nuestro sistema, se dimensionara para 2 A de
salida.
2.1.1.2.
Tensiones de 24 V.
Para los sensores, EFCU y el sistema de refrigeración de la pila de combustible, se
utilizan los valores que facilita el fabricante:
Componentes
Sensor de presión
Sensor de caudal
Sistema de refrigeración
EFCU
TOTAL
47
Consumo (mA)
50
100
500
100
750
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El consumo teórico para la fuente de 24 V es de 750 mA, pero se toma en cuenta el
consumo del driver del convertidor elevador y de las posibles pérdidas, por lo tanto, se
necesitaría dimensionarla para un consumo de 1 A. Como en el caso anterior de la
fuente de 5 V, se sobredimensiona para poder conectar otros dispositivos al sistema o
a la planta en si, por lo que también se sobredimensionara para una salida de 2 A.
2.1.2. Fuente de alimentación de 5 V.
Para los cálculos de la fuente de 5 V se utilizaron los pasos y formulas que indica el
fabricante en su hoja de características.
2.1.2.1.
Cálculo de la bobina.
Para calcular la bobina para el regulador
LM2576-5.0 el fabricante proporciona la
grafica que se observa a la izquierda,
donde se puede encontrar su valor
conociendo la tensión de entrada y la
corriente de salida.
El banco de baterías instalado en la
planta da una tensión continua de 48 V.
la fuente tendrá una corriente máxima de salida de 2 A. Con estos datos se mira la
grafica y se obtiene una bobina de 150 µH.
48
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.1.2.2.
Cálculo del condensador de entrada.
Como condensador de entrada el fabricante recomienda instalar uno de 100 µF entre
la entrada y masa.
2.1.2.3.
Cálculo del condensador de salida.
Para el cálculo de este condensador el fabricante nos proporciona la siguiente fórmula:
2.1.2.4.
Elección del diodo.
El diodo schottky escogido de la tabla que facilita el fabricante fue el 1N5822. Se ha
escogido este diodo por su corriente máxima, ya que se quiere dimensionar la fuente
de alimentación para tener una corriente máxima de salida de 2 A y este diodo aporta
un margen de hasta 3 A.
2.1.2.5.
Cálculo del disipador.
Para calcular el disipador se necesita saber la potencia disipada, nos apoyamos en la
siguiente fórmula:
Se escoge un incremento máximo de 20 ºC, con esta información ya es posible
calcular la resistencia térmica del disipador.
El disipador de valor más aproximado disponible es uno de 36 ºC/W.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.1.3. Fuente de alimentación de 24 V.
Para realizar los cálculos de esta fuente de alimentación su utilizaran los pasos y
formulas que indica el fabricante en la hoja de características.
2.1.3.1.
Cálculo de la bobina.
Para el cálculo de la bobina para el
regulador
LM2576-ADJ
necesitamos
conocer la constante E·T y luego buscar
el valor del inductor en la grafica que se
muestra a la izquierda, para calcular el
valor E·T se utiliza la fórmula:
Observando la grafica, se obtiene un valor de 470 µH para la bobina.
2.1.3.2.
Cálculo del condensador de entrada.
Como condensador de entrada el fabricante recomienda poner un condensador de 100
µF entre la entrada y masa.
2.1.3.3.
Cálculo del condensador de salida.
Para el cálculo de este condensador, usamos la formula que proporciona el fabricante:
50
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
El valor obtenido queda por debajo de la recomendación del fabricante, éste
recomienda un condensador de salida mínimo de 680 µF, por lo que se usara este
valor.
2.1.3.4.
Elección del diodo.
El diodo schottky escogido de la tabla que facilita el fabricante fue el 1N5822. Se ha
escogido este diodo por su corriente máxima, ya que se quiere dimensionar la fuente
de alimentación para tener una corriente máxima de salida de 2 A y este diodo aporta
un margen de hasta 3 A.
2.1.3.5.
Cálculo del disipador.
Para calcular el disipador se calculara la potencia disipada:
El regulador que se usa puede operar a una temperatura máxima de 150 ºC, en este
caso se calculara el incremento de temperatura si se utilizara el mismo disipador que
en la fuente de 5 V.
Si se supone una temperatura ambiente máxima de 40 ºC, el regulador trabajaría a
92.4 ºC, un valor inferior a la máxima, por lo que se utilizará el mismo tipo de disipador
en ambos reguladores.
51
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.1.3.6.
Cálculo del divisor de voltaje.
El regulador ajusta la tensión de salida mediante un divisor de tensión que debe
ajustar la tensión que tiene a la salida de la fuente de alimentación a un valor de 1.23
V que debe estar presente en el pin FEEDBACK del regulador. Para esto, se utilizara
un potenciómetro multivuelta, para tener un mejor control de la tensión de salida y
también se podría modificar dicha tensión si fuese necesario.
El potenciómetro lo tomaremos como dos resistencias en serie:
El potenciómetro tendrá un valor de 10 kΩ, por lo tanto ya tenemos una ecuación:
De la fórmula del divisor de tensión se obtiene la siguiente ecuación:
Sustituyendo este resultado en la ecuación del potenciómetro, se obtiene:
Con estos valores ya se puede ajustar el potenciómetro para conseguir los 24 V a la
salida.
2.2.
DISEÑO DEL CIRCUITO DE ADQUISICIÓN DE DATOS.
2.2.1. Adquisición de tensión de la pila de combustible.
Para la adquisición de la tensión de la pila de combustible se utiliza un divisor de
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
tensión para reducir la tensión de salida a un máximo de 5 V, que es la máxima
tensión que puede conectarse al microcontrolador. Por lo tanto el cálculo queda de la
siguiente forma:
Si le damos un valor a R4 igual a 1 kΩ y operando, tenemos que:
2.2.2. Adquisición de la corriente de la pila de combustible.
La resistencia utilizada como sensor es de 0.051 Ω, si como corriente máxima
esperada es de 25 A, en la entrada del amplificador tendremos que:
Se quiere que el valor a la salida del amplificador de instrumentación para una
corriente de 25 A sea de 5 V de tensión, por lo tanto se necesita dar una ganancia de
2.92 al amplificador. Para dar esta ganancia se debe calcular el valor de RG, para
calcular su valor nos referimos al manual del fabricante:
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.2.3. Adquisición de la presión de hidrogeno.
La señal que se obtiene del sensor es una corriente de con un rango de 4 – 20 mA y
nos interesa que la señal sea una tensión de 0 – 5 V, por lo que, se hará para esta
señal por una resistencia para hacer la conversión:
Esta señal se conectara a la entrada positiva del amplificador de instrumentación. El
rango de la señal de la de la entrada positiva será una tensión de 1 a 5 V, debido a
esto, a la entrada negativa se le conectara una tensión de 1 V para hacer el cero, por
lo tanto, a la salida del amplificador se tendrá una tensión con un rango de 0 – 4 V,
esta señal se conecta al microcontrolador.
54
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.2.4. Adquisición del caudal de hidrogeno.
La señal obtenida del sensor al igual que en el caso anterior, es una corriente con un
rango de 4 – 20 mA y nos interesa que este señal sea una tensión de 0 – 5 V, por lo
tanto se hará pasar por una resistencia de 250 Ω.
En la entrada negativa del amplificador de instrumentación se conectara una tensión
de 1 V para hacer el cero, por lo que tendremos una tensión con un rango de 0 – 4 V,
esta señal será conectada al microcontrolador.
2.2.5. Elevador de tensión para la válvula proporcional.
Para este circuito se escogió el transistor TIP31 por su potencia de disipación y
velocidad de conmutación, ya que la válvula necesita una corriente de más de 300 mA
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
a 24 V. El operacional escogido es el LM358N, se ha escogido este operacional ya
que permite una alimentación no simétrica de hasta 30 V, para el sistema se necesita
alimentar a 24 V.
Para obtener la tensión de salida de 24 V, se tiene que calcular el divisor de tensión
para que cuando se tengan 5 V a la entrada negativa del operacional, se tengan los 24
V a la salida, por lo tanto:
Si le damos un valor a R14 igual a 1 kΩ y operando, tenemos que:
2.2.6. Adquisición de tensión y corriente del convertidor DC/DC.
Se desea que la salida del amplificador de instrumentación se de 5 V cuando la
corriente de salida del convertidor DC/DC sea máxima. Se sabe que la potencia de la
pila de combustible es de 1000 W, la tensión de la salida del convertidor DC/DC es de
48 V, por lo tanto:
Teniendo en cuenta las pérdidas se tomara como corriente máxima de salida 20 A,
para obtener los 5 V a la salida se debe dar ganancia al amplificador de
instrumentación, la cual será:
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Si aplicamos la ecuación del manual del fabricante:
Para capturar la tensión se instalara un divisor de tensión para reducirla tensión de
salida del convertidor DC/DC a los 5 V máximos que se pueden conectar al
microcontrolador, como tensión máxima del convertidor DC/DC se escoge 55 V por lo
tanto:
Si le damos un valor a R11 igual a 1 kΩ y operando, tenemos que:
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.3.
DISEÑO DEL CIRCUITO DEL MICROCONTROLADOR.
2.3.1. Convertidor D/A.
El convertidor D/A escogido para este sistema ha sido el AD557, este convertidor es
específico para trabajar con microprocesadores y tiene una velocidad de conversión
alta. El único inconveniente es que tiene un rango de salida de 0 a 2.56 V, por lo tanto
se conecta un amplificador no inversor con ganancia 2 a la salida para obtener un
rango de salida 0 a 5 V:
Por lo tanto, R1=R2=1 kΩ.
2.3.2. Programa.
El programa consta de dos funciones diferenciales:
1. Control del caudal de hidrogeno. El programa toma muestras de la tensión
de salida de la pila de combustible y comparándola con una consigna,
normalmente 31.5 V, abre o cierra la válvula proporcional para aumentar o
disminuir el caudal de hidrogeno y mantener la tensión de salida estable al
punto de consigna. Si se cambia el valor de la carga y la corriente aumenta
o disminuye , también lo hara la tensión, por lo tanto, el programa deberá
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
ser rápido para estabilizar la salida en torno a la consigna, para lograr esto,
se utiliza un control integral, es decir:
2. Control de ciclo de trabajo (DC). El programa debe ir variando el ciclo de
trabajo del convertidor DC/DC para tener siempre los 48 V a la salida. Para
este control también se usara un control integral, es decir:
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.3.3. Diagrama de Flujo.
INICIO
Configuración TIMER0 y
modulo PWM
Tiempo=10
Temporizador de 200 µs
Captura tensión de salida
convertidor DC/DC
ERROR=Tensión convertidor consigna convertidor DC/DC
DC=Consigna DC +
(K*error)
Tiempo=tiempo-1
NO
Tiempo=0?
SI
Captura tensión de la pila
de combustible
Error=Tensión pila –
Consigna tensión pila
Caudal=Consigna caudal + (K*error)
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.4.
DISEÑO DEL CIRCUITO DEL CONVERTIDOR DC/DC.
Antes que nada, debemos conocer el ciclo de trabajo (D) que tendrá el convertidor:
Para el cálculo de la bobina, se buscara el punto donde el convertidor pasa de modo
continuo a modo discontinuo. Se tomara como referencia una corriente de salida de
200 mA, a partir de esta corriente el convertidor deberá funcionar en modo continuo,
se escogió esta corriente ya que es un valor muy bajo y el convertidor no trabajara a
tan baja carga.
Para el cálculo del condensador de salida se debe decidir cuál será el rizado máximo y
la carga máxima del convertidor. Como rizado máximo será de 0.3% y para la carga
máxima de salida se escoge un valor de 1000 W.
2.4.1. Calculo de la bobina.
Se calcula la resistencia de carga que se tendrá en el momento en que el circuito
empieza a funcionar en modo continuo, que es para el instante que se calculara la
bobina, cuando la potencia de salida aumente, el valor de la carga disminuirá y por lo
tanto el valor de la bobina seguirá siendo válido, es decir:
Ahora se calculara el valor de la bobina, para ello se utilizara la siguiente fórmula:
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Por lo tanto, tomaremos un valor de 360 µH. En este caso, el valor no existe
comercialmente, así que, se eligió un inductor de 390 µH, que es el valor comercial
más próximo y que cumple con nuestra regla de cálculo.
Además, el fabricante menciona en la hoja de datos de su producto que esta diseñado
para poder ser usado en convertidores DC/DC.
2.4.2. Cálculo del condensador de salida.
Primero se calculará el valor de la resistencia de carga para la máxima potencia:
Se calcula el valor del condensador, se utilizara la formula típica para ello:
Para mejorar la respuesta del condensador de salida en lugar de poner un solo
condensador del valor calculado, se pondrán varios condensadores electrolíticos de
menor valor en paralelo, por lo tanto, el condensador de salida será la suma de varios
condensadores, concretamente se pondrán 4 condensadores electrolíticos de 220 µF
y 4 de 33 µF, en total 1012 µF.
2.4.3. Elección del MOSFET.
Para el MOSFET se ah tenido en cuenta tres parámetros del transistor. Los dos más
importantes son la tensión y la corriente, el tercer parámetro que hay que tener en
cuenta es la resistencia que tiene el transistor mientras esta en conducción. Este
último parámetro es muy importante ya que nos interesa que el valor óhmico sea
mínimo, ya que de este valor dependerá directamente la potencia disipada por el
transistor y por lo tanto su temperatura.
El transistor que se ha tenido en cuenta es el STW75NF20, la tensión máxima es de
200 V, tensión suficiente para que el transistor trabaje correctamente y sin peligro de
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
que se deteriore por sobretensión. La corriente máxima que soporta es de 75 A,
suficiente para esta aplicación. El valor de RDS es < 0.034 Ω, otros transistores de las
mismas características de tensión y corriente tienen un valor óhmico más elevado,
esta fue la característica por la que se eligió este transistor.
2.4.4. Elección del diodo.
El diodo que se utilizara es del tipo schottky ya que tiene una caída de tensión muy
baja, el diodo que se ha escogido es de 0.7 V. Este parámetro es muy importante,
incide directamente en la temperatura que tendrá el diodo mientras funciona y afectara
a su rendimiento.
El diodo escogió es un MBR3090CT, la tensión máxima es de 90 V, valor suficiente
para el sistema y una corriente máxima de 30 A.
2.4.5. Cálculo de los disipadores.
Debido a la proximidad del MOSFET y del diodo, se decidió colocar ambos en el
mismo disipador. Se busco un disipador que tuviera la medidas apropiadas para poder
montarlos juntos y se encontró un modelo con una resistencia térmica de 2.4 ºC/W. Se
calculara la potencia disipada por los dos componentes y se comprobara si este
disipador es suficiente:
El incremento de temperatura queda dentro de los parámetros de funcionamiento de
ambos dispositivos, por lo que el disipador es válido.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
2.4.6. Driver.
Para la elección del amplificador operacional y los dos transistores bipolares se ha
tenido en cuenta la frecuencia a la que trabajara, ya que el convertidor trabajara a una
frecuencia de 50 kHz. El CA3130 puede trabajar hasta frecuencias de 15 MHz. Los
dos transistores tienen unos tiempos de conmutación muy bajos, en torno a los 50 ns,
y una alta ganancia.
La resistencia R19 se utiliza para descargar la tensión que se almacena en la puerta
del MOSFET. El diodo zener se dimensiona para que limite la tensión que llega a la
puerta del MOSFET, ya que podría deteriorarse si llegase más tensión a la puerta de
la que soporta. Se ha escogido uno de 18 V aunque trabajemos con una señal de 15 V
de amplitud pero se pueden generar picos que podrían dañar al MOSFET.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
3. Resultados Experimentales.
3.1.
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE LA PILA DE COMBUSTIBLE.
Debido a motivos fuera de mi alcance no se ha podido adquirir la pila de combustible
para realizar dichas pruebas, por lo que con los únicos datos con los que contamos
son los proporcionados por el fabricante en la hoja de datos de la misma. Las tablas
con dichos datos se muestran a continuación:
Los datos más importantes que se pueden obtener de la tabla anterior son, la escala
stoichiometrica, la cual nos indica el consumo de hidrogeno en l/min., y el rango de
temperatura de funcionamiento de la pila.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Los valores nominales de potencia, voltaje y corriente son los que la pila nos puede
entregar al comienzo de su vida útil, cabe mencionar que el valor del voltaje nominal
está sujeto a una variación de ±5% por lo que se pueden esperar valores de voltaje de
29.925 – 33.075 V. La variación del voltaje frente a la corriente puede observarse en la
siguiente grafica.
Por último, pero no menos importante son las características mecánicas, el dato de
mayor interés para este proyecto es el peso, ya que nos interesa que la planta no sea
demasiado pesada para conseguir el mayor rendimiento posible.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Las medidas de la dimisión de la pila nos ayudara a colocarla en un sitio optimo, así
como posibles ampliaciones.
3.2.
PRUEBAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN.
Como es ya sabido, necesitamos un grupo de fuentes para las diferentes partes del
sistema.
Las
fuentes
de
alimentación
principales
deben
de
presentar
un
funcionamiento correcto, así como, una salida estable; ya que, un aumento en el
voltaje se traduciría en el deterioro acelerado y/o ruptura de algún componente
En cuanto a una salida de voltaje pobre en el sistema, impediría un correcto
funcionamiento de la interfaz parcial o total.
Para la prueba de las fuentes de alimentación se utilizo una de las fuentes del
laboratorio como sustituto de la pila de combustible. El voltaje de entrada es de 31 V,
el máximo valor entregado por la fuente de laboratorio, nuestro interés es obtener los
valores de +5 V, -5 V y +24 V; que son los valores de voltaje que esperamos obtener
de nuestro circuito.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Como se puede observar, en las fuentes de +5 V y -5 V, la tensión es completamente
estable, siendo escasa milésimas de volt la diferencia de valor entre ellas. Estas
fuentes son las más importantes ya que de estas se alimentara la parte de control
siendo el PIC el componente más delicado a las subidas de tensión, este ultimo solo
acepta tensiones entre los 4.5 V y los 5.5 V.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
Para el caso de la fuente de +24 V, se ajusto el trimpot hasta lograr un valor
aproximado al requerido a su salida.
3.3.
PRUEBAS CONVERTIDOR DC/DC.
Para hacer la prueba del convertidor se decidió colocar una carga resistiva a su salida
y una consigna de 48 V para la tensión de salida, que está programada en el PIC, así
como, una frecuencia de funcionamiento de 50 kHz.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
En la grafica se puede observar que la salida está regulada a una tensión de 47.67 V.
También se puede ver el rizado, si se quisiera reducirlo se necesitaría instalar una
bobina de mayor valor.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
3.4.
PRUEBAS INTERFAZ DE CONTROL.
Para las pruebas con la interfaz, se decidió simular las entradas, aplicando voltaje
directamente a las entradas del PIC, debido a que no contamos con el hardware
necesario para realizar dichas pruebas de manera cien por ciento con valores reales.
La señal que más nos interesa obtener es la del PWM el cual se encarga del control
del convertidor DC/DC, así como, observar que se cumple la consigna del ciclo de
trabajo programada en el PIC.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
3.5.
ASPECTO DE LOS PROTOTIPOS.
En las siguientes imágenes observaremos el aspecto final de los prototipos de los
circuitos, en el siguiente orden:

Fuentes de Alimentación.
 Circuito de Control.
 Convertidor DC/DC.
Como se puede observar, hay dos capacitores de mayor capacidad a la entrada de las
fuentes de +5 V y +24 V, esto es para mejorar el rendimiento de la fuente frente a
consumos altos en cortos periodos de tiempo, esto le ocurre con mayor frecuencia a la
fuente de +24 V, ya que la mayoría de los dispositivos depende de esta. En la de +5 V,
se coloco por seguridad ya que el PIC debe su funcionamiento a ella.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
En la placa de control están integrados el PIC, la sección de adquisición de datos
formada por los amplificadores de instrumentación y la parte de potencia encargada
del cierre y apertura de la válvula proporcional.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
En la placa del convertidor DC/DC, se aprecia el tamaño del disipador de potencia
instalado para mantener la temperatura de funcionamiento del MOSFET en valores
aceptables, así como, el inductor de entrada.
3.6.
CONCLUSIONES.
Durante la realización del proyecto, se pudo observar lo siguiente:

La tensión de salida de una pila de combustible varia con el tiempo. Esto de
pende de varios factores entre los que se encuentran, humedad, tiempo sin
funcionar, arranque correcto, etc.

Para un control óptimo de la pila de combustible, es necesario contar con la
misma y un algoritmo mucho más elaborado, junto con mas parámetros de
control.

La mejora del control puede ser un futuro proyecto, ya que para este proyecto
se pretendía observar el funcionamiento de una pila de combustible como parte
de un sistema hibrido con un banco de baterías.
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Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible

Según las graficas de apertura de la válvula, dado que el caudal es
proporcional a la señal de mando eso nos permite afirmar que, si se consigue
una tensión de salida de la pila de combustible mejor regulada, ahorraríamos
combustible.
4. Bibliografía.
 Microcontroladores PIC con Programación PBP
Ing. Omar Enrique Barra Zapata, Ing. Franklin Barra Zapata
Editorial RA-MA, 2011
 Microcontroladores PIC “Teoría y Practica”
Mikel Etxebarria Isuskiza
Creaciones Copyraight S.L., 2011
 Programación de Microcontroladores PIC
Dogan Ibrahm
Editorial Marcombo, 2007
 Handbook of Hydrogen Storage
Dr. Michael Hirscher
Editorial Wiley-VCH, 2010
 Control of Fuel Cell Power Systems
Pukrushpan J., Stefanopoulou y Peng H.
London 2004
Paginas web visitadas:
www.claudio-otero.cl/fuel_cell/#BM_De_dónde_vinieron_las_Celdas_de
http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_de_combustible
http://people.hofstra.edu/geotrans/eng/ch5en/appl5en/worldoilreservesevol.html
http://datos.bancomundial.org/indicador/EN.ATM.CO2E.PC/countries?display=graph
78
Diseño de una Interfaz Electrónica de Control de una Pila de Combustible
http://www.iea.org/country/index.asp
http://www.temperaturaglobal.com/temperatura-global.htm
http://www.temperaturaglobal.com/temperatura-global-decada.htm
http://worldwide.fuelcells.org/sp_base.cgim
http://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080816143648AAUhI3f
http://pdf.rincondelvago.com/combustibles-alternativos.html
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http://www.biodisol.com/biocombustibles/cuales-son-las-ventajas-y-las-desventajas-deusar-etanol-en-lugar-de-gasolina-o-nafta-biocombustibles-bioetanol/
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A. Anexos.
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