CONTROL AND DESIGN OF PEM FUEL CELL-BASED SYSTEMS: Advantages of fuel cell hybrid systems with supercapacitors

Las pilas de combustible son muy ventajosas debido a su alta eficiencia en la conversion de energia y nula contaminacion. En esta tesis se realiza un extenso estudio sobre el control y diseno de sistemas de generacion electrica basados en pilas de combustible. El nucleo principal de la misma son los sistemas hibridos con pilas de combustible y supercapacitores como elementos almacenadores de energia, orientado a aplicaciones automotrices. La determinacion del Grado de Hibridizacion (i.e. la determinacion del tamano de la pila de combustible y del numero de supercapacitores) se realiza mediante una metodologia propuesta con el objetivo de satisfacer requisitos de conductibilidad y consumiendo la menor cantidad de hidrogeno posible.El proceso de diseno comienza con la determinacion de la estructura electrica de generacion del vehiculo y utiliza un modelo detallado realizado en ADVISOR, una herramienta para modelado y estudio de sistemas hibridos. Se analiza el flujo de energia a traves de los componentes del vehiculo cuando el vehiculo sigue diferentes ciclos de conduccion estandares, mostrando las perdidas en cada componente que degradan la eficiencia del sistema y limitan la recuperacion de energia de frenado. Con respecto a la recuperacion de energia, se ha definido y analizado un parametro que cuantifica la cantidad de energia que realmente es reaprovechada: el ratio frenado/hidrogeno.Para controlar el flujo de energia entre la pila de combustible, los almacenadores de energia y la carga electrica, se proponen tres Estrategias de Gestion de Energia (EMS) para Vehiculos Hibridos con Pila de Combustible (FCHVs) basadas en el mapa de eficiencia de la pila y se validan mediante un montaje experimental desarrollado para emular el sistema hibrido. Los resultados de consumo de hidrogeno son comparados con dos referencias: el consumo correspondiente al caso del vehiculo sin hibridizacion y el caso optimo con el menor consumo para el vehiculo propuesto. El consumo optimo se calcula mediante una metodologia propuesta que, a diferencia de otras, evita la discretizacion de las variables de estado.Para operar el sistema eficientemente, la pila de combustible es controlada mediante una metodologia de control, basada en Control de Matriz Dinamica (DMC). Esta metodologia de control utiliza como variables de control el voltaje de compresor y una nueva variable propuesta: la apertura de una valvula proporcional ubicada a la salida del catodo. Los objetivos de control son controlar el exceso de oxigeno en el catodo y el voltaje generado por la pila. Se analiza tanto en regimen estacionario como transitorio las ventajas de emplear esta nueva variable de control y se muestran resultados de funcionamiento por simulacion del controlador ante perturbaciones en la corriente de carga.Por otro lado, se aborda el diagnostico y el control tolerante a fallos del sistema basado en pila de combustible proponiendo una metodologia de diagnostico basada en las sensibilidades relativas de los fallos y se muestra que la estructura de control con las dos variables propuestas tiene buena capacidad de rechazo a fallos en el compresor cuando se controla el exceso de oxigeno en el catodo.