Diseño y construcción integral de un banco de supercapacitores: del modelado a la estimación del estado de carga

Abstract

En este trabajo, enmarcado en la línea de investigación de módulos de almacenamiento de energía no convencionales (MANC), se presenta el diseño y la construcción de un banco de supercapacitores (SC), junto con un diseño preliminar de un sistema de observación para el estado de carga (SOC por sus siglas en inglés) utilizando un diferenciador por modo deslizante acoplado con un estimador paramétrico. Hoy en día, numerosos estudios han demostrado la limitación práctica que poseen las energías renovables en cuanto al almacenamiento de energía. Esto último resalta la importancia de los MANC, en un marco de creciente utilización de sistemas híbridos tanto a pequeña como a gran escala, sobre todo debido a su capacidad de manejar grandes niveles de potencia. En particular, la versatilidad de los SC y baterías de Ión-Litio para poder funcionar como módulos de almacenamiento o buffers en un mismo sistema híbrido y su excelente performance en términos de eficiencia, vida útil y densidad de potencia, los convierte en elementos de sumo interés para la comunidad científico-tecnológica en el desarrollo de vehículos eléctricos y sistemas híbridos de energía renovables. Actualmente, los SC son un foco de interés principalmente debido a su gran densidad de potencia, aunque como principal desventaja puede señalarse que estos dispositivos no poseen grandes niveles de densidad de energía y suele ser necesario utilizar los SC junto con otras fuentes de almacenamiento, como baterías de Ión-Litio, o esquemas de almacenamiento basados en hidrógeno [4]. Mas aún, para poder emplear SC en un sistema híbrido es necesario un agrupamiento en serie o serie-paralelo de SC. Estos arreglos son conocidos como ‘Banco de SC’ o ‘Pila de SC’. Para conservar la vida útil de los SC de un banco, es necesario incorporar un sistema de balanceo, que se encargue de mantener igualadas las tensiones de cada SC, asegurando que el banco se mantenga balanceado independientemente de la variabilidad de los parámetros internos de cada dispositivo. También adquiere gran relevancia incorporar técnicas de observación y estimación para el banco de SC, con el objetivo de extraer información de los parámetros internos del mismo, y así mejorar la eficiencia de operación del banco, y del sistema híbrido donde se lo utilice. Emplear técnicas de observación y estimación permite conocer el SOC y predecir la vida útil del banco a través del estado de salud (SOH), obtenidos indirectamente mediante la estimación de las capacidades y resistencias de pérdidas a partir de modelos eléctricos equivalentes. Consecuentemente, adquieren gran relevancia el modelado y la identificación del banco de SC, para lograr una adecuada regulación y control al integrarlo en sistemas de mayor energía. Por último, para resguardar la seguridad del usuario/a, se incorporan módulos externos de monitoreo y protección, los cuales poseen la finalidad de supervisar las variables eléctricas del banco (tensión, corriente y temperatura) con el objetivo de desconectar al banco de su alimentación o descargarlo, según sea pertinente preservando simultáneamente la integridad del mismo.