Simulación de tecnología para un autobús híbrido con pila de combustible en la Universidad de Delaware

El autobús híbrido de pila de combustible (FCHB) que circula por el campus de la Universidad de Delaware a lo largo de las 6 millas de la ruta exprés sirve como demostración de la potencia y ventajas de la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno. Se trata de un autobús con cero emisiones y mucho más silencioso que sus equivalentes diésel. Se puede recargar y mantener en una única ubicación, lo que reduce los costes de infraestructura. Su diseño híbrido de serie lo hace particularmente eficiente para circular con las paradas frecuentes y velocidades relativamente bajas de las rutas de los autobuses urbanos.

Sirviéndose de MATLAB^® y Simulink^®, el equipo de investigación de la Universidad de Delaware modeló el autobús FCHB, analizó los datos de múltiples sensores integrados, mejoró la estrategia de gestión de energía, y obtuvo información fundamental para optimizar el diseño del autobús de pila de combustible”.

Con Simulink, podemos responder a preguntas de diseño que resultaría extraordinariamente costoso contestar mediante iteraciones de prueba y error en hardware. Por ejemplo, corremos simulaciones que nos muestran cuál será el rendimiento del autobús si duplicamos o triplicamos el tamaño del stack. Otras simulaciones muestran lo que sucedería si redujéramos los 1800 kg de las baterías instaladas a 900 kg. Simulamos cambios en el chasis y la distribución del peso de todo el vehículo. Analizando los resultados de estas simulaciones, podemos ver si un determinado diseño es más eficiente, si consume menos hidrógeno por kilómetro recorrido, o si reduce el estrés de las baterías. Luego, podemos compartir nuestros hallazgos con el fabricante del autobús, Ebus, que los utiliza para mejorar diseños futuros.

Una iniciativa de investigación de múltiples años y múltiples autobuses

Financiado por la Administración Federal de Transporte, el programa FCHB se inició en 2005 para desarrollar y probar autobuses de pilas de combustible y estaciones de repostaje de hidrógeno en Delaware. El primer autobús de pila de combustible entró en funcionamiento en 2007 y el segundo, en 2009 (figura 1). En última instancia, el programa incluirá cuatro autobuses, que incorporarán mejoras de diseño y experiencias sobre lo aprendido de sus respectivos predecesores.

Lo que diferencia al FCHB de la Universidad de Delaware de otros autobuses de pila de combustible que se están probando en el resto del mundo es su coste relativamente bajo. Nuestros autobuses cuestan alrededor de un 50% menos que los autobuses de pila de combustible de tamaño comparable actualmente en funcionamiento, en gran medida porque utilizamos un diseño híbrido de serie sólido. En este diseño, la pila de combustible sirve principalmente para recargar la batería, no para impulsar directamente el vehículo, lo que nos permite utilizar una pila mucho más pequeña y, por tanto, menos costosa. El stack de pilas de combustible de nuestro primer autobús, por ejemplo, entrega solo 20 kW de potencia bruta, mientras que los autobuses comparables utilizan stacks entre 5 y 10 veces más grandes. Una pila de combustible de 20 kW (27 caballos de potencia) entrega aproximadamente la misma potencia que el motor de un tractor cortacésped, pero puede transportar a decenas de personas por el campus.

Las pilas de combustible, en combinación con las baterías de un diseño híbrido de serie, han demostrado tener capacidad sobrada para impulsar nuestros autobuses de 6,7 m de largo con 22 pasajeros sentados y 10 de pie. Los autobuses se repostan en una estación de hidrógeno cerca del campus operada por Air Liquide. Cuando están completamente repostados y cargados, los autobuses tienen una autonomía de 290 km.

Modelado del primer autobús

Modelamos el autobús y todos sus componentes utilizando una librería de Simulink desarrollada por Electric Power Research Institute (EPRI), uno de los partners de nuestro consorcio. La librería LFM (ligera, rápida y modificable) es flexible y se puede aplicar fácilmente a diversas plataformas de vehículos híbridos. Utilizando las especificaciones de diseño proporcionadas por Ebus, establecimos parámetros de referencia para los componentes principales del modelo, esto es, chasis, transmisión, motor de tracción, baterías, sistema de pila de combustible y combinador de potencia (figura 2). Además, modelamos el equilibrio de la planta, que incorpora todos los dispositivos auxiliares requeridos por el stack, incluyendo bomba de recirculación de hidrógeno, compresor de aire y bomba de refrigerante. Cada componente del sistema de propulsión tiene aproximadamente seis entradas, y el modelo completo produce más de 30 salidas, entre ellas estado de carga de las baterías, salida de la pila de combustible, consumo de hidrógeno y potencia de frenada regenerativa. El modelo es complejo y sofisticado, pero haber capturado cada componente como un bloque de Simulink facilita la gestión de todos los subsistemas del sistema general.

Para validar nuestro modelo, equipamos el autobús con un receptor GPS y más de una docena de sensores que miden tensión, corriente, temperatura, caudales y humedad en ciertas paradas de autobús en cada recorrido. Luego, simulamos el mismo ciclo de conducción en Simulink y comparamos los datos medidos con los resultados de la simulación. Las predicciones de nuestro modelo coincidieron con los datos del vehículo con un 5% de margen, lo que nos da la confianza de que el modelo ahora se puede usar como herramienta de diseño fiable. Además, analizamos los datos medidos en MATLAB para comprender cómo variaba el rendimiento según la estación del año y día a día.

Mejora de la estrategia de gestión energética

En un vehículo híbrido, la estrategia de gestión energética determina cuáles de los generadores de energía instalados están activos en un momento dado y a qué ritmo producen energía. La estrategia de gestión energética de nuestro primer autobús era bastante rudimentaria. Cuando el estado de carga de la batería caía por debajo del 65%, el sistema activaba la pila de combustible para comenzar a recargar la batería. Si el sistema solicitaba la máxima potencia inmediatamente, la pila de combustible funcionaba, pero lo hacía de manera ineficiente, porque estaba fuera de su región de funcionamiento óptimo. Uno de nuestros primeros objetivos fue mejorar esta estrategia.

Utilizamos MATLAB y Simulink para evaluar estrategias de gestión energética que incorporaran la ruta planificada para mantener el stack funcionando de manera más consistente en su punto de máxima eficiencia. Con MATLAB, es fácil desarrollar scripts para correr varias simulaciones y modificar la estrategia u otros aspectos del modelo en cada ejecución. Aplicamos este enfoque para identificar una estrategia que produjera la mejor combinación de rendimiento y eficiencia. Luego, la implementamos actualizando el controlador lógico programable (PLC) integrado. Las simulaciones nos permitieron identificar el momento óptimo para activar la pila de combustible dentro de su ciclo de conducción diario, para que la salida combinada de la pila y la batería satisficiera las necesidades del vehículo durante el resto del recorrido, y de este modo utilizar la batería de níquel-cadmio y conservar hidrógeno.

Mejoras en el segundo autobús

El análisis de sensibilidad desempeñó un papel vital para ayudarnos a identificar formas de mejorar el rendimiento. Cada componente principal del sistema de propulsión tiene parámetros que se pueden modificar en futuros diseños. Desarrollamos scripts de MATLAB que ajustan estos parámetros en el modelo de Simulink programáticamente, en un rango que va desde un 30% por debajo hasta un 30% por encima de sus valores actuales. Luego, ejecutamos estos scripts automáticamente para múltiples parámetros. Una vez que las simulaciones concluyeron, utilizamos MATLAB para analizar la gran cantidad de datos que habíamos acumulado, e identificar y representar los parámetros que más afectan el rendimiento.

Cuando el fabricante comenzó a diseñar y desarrollar el segundo autobús de la serie, ya habíamos aprendido mucho sobre los parámetros de rendimiento clave, la dinámica de la pila de combustible y la batería, y cómo funcionan a lo largo del ciclo de conducción. Nuestras simulaciones ayudaron a validar la decisión del fabricante del autobús de duplicar el tamaño del stack de pila de combustible hasta aproximadamente 40 kW (figura 3).

Aunque ese cambio habría permitido reducir la capacidad de la batería, decidimos utilizar el mismo paquete de baterías de níquel-cadmio para evitar tener que rediseñar un nuevo paquete. Duplicar el stack de pila de combustible hizo que la velocidad promedio aumentara de 29 km/h a 56 km/h, tal y como habían predicho los resultados de nuestras simulaciones en Simulink. El cambio también permitió al autobús tomara rutas más exigentes y utilizar carreteras que requieren velocidades más altas.

Nuestros autobuses están equipados con un innovador sistema de supervisión de tensión de pila (CVM) diseñado y fabricado en la Universidad de Delaware. Este sistema nos permite aprender más sobre el stack con más nivel de detalle, ya que puede detectar tensiones bajas o altas perjudiciales en cada una de las más de 100 pilas del stack. El sistema CVM detecta y registra estas tensiones una vez por segundo. Podemos supervisar los resultados en tiempo real a través de un enlace móvil que transmite los datos a un servidor del taller, o analizar las mediciones registradas más tarde, y MATLAB es el software de elección para la captura, análisis y visualización de los datos.

Tercer autobús y más allá

El tercer autobús incorpora cambios de diseño significativos. Como el segundo autobús, tendrá un stack de pila de combustible de 40 kW, pero las baterías serán de iones de litio en lugar de níquel-cadmio, lo que reducirá el peso del paquete de 1800 kg a aproximadamente 680 kg. Las baterías de iones de litio tienen una excelente vida útil, y se pueden cargar y descargar más rápidamente y con mayor frecuencia, lo que nos permitirá explorar nuevas estrategias de gestión de energía en Simulink. Con el aumento de rendimiento, el sistema de propulsión podrá impulsar un autobús más grande a velocidades sostenidas más altas; los autobuses tres y cuatro tendrán 9,1 m de largo, y transportarán hasta 10 pasajeros más que los autobuses de 6,7 m.

Como parte de la investigación, uno de nuestros estudiantes de posgrado acaba de terminar una tesis en la que explora el uso de supercondensadores en un sistema de almacenamiento mixto con pilas de combustible y baterías. Modeló los supercondensadores en Simulink y los incorporó a nuestro modelo de FCHB para simular y probar estrategias de gestión energética avanzadas que aprovechan las características de carga y descarga rápidas de los supercondensadores. Esta investigación es un excelente ejemplo del valor de Simulink en este campo; explorar este tipo de ideas en hardware real tendría un coste prohibitivo y llevaría mucho tiempo. Simulink no solo hace posible la exploración, sino que produce resultados muy fiables. El estudiante de posgrado ahora trabaja para una empresa de autobuses de pila de combustible en California, donde está aplicando la experiencia que adquirió en el programa FCHB.

Como investigador y docente, el programa FCHB me resulta muy gratificante. Nuestros estudiantes de posgrado han hecho un trabajo sobresaliente, y cuando vemos el autobús circulando por el campus nos damos cuenta de hasta qué punto las simulaciones han contribuido significativamente a mejorar su rendimiento. No es frecuente que un ejercicio académico produzca un valor tan inmediato y práctico.