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CONVERTIDORES DC/DC DE ALTA EFICIENCIA BASADO EN DISPOSITIVOS WBG PARA APLICACIONES EN TECNOLOGÍA VEHICULAR ELÉCTRICA (CONAE-TVE)

Detalles
  • activo
  • Código:   IDIPI-251
  • Fecha de Inicio:  2022-01-01
  • Fecha de Fin:  2023-12-31
  • Resumen:  RESUMEN EJECUTIVO DEL PROYECTO A nivel mundial se mantiene activo el esfuerzo por mejorar la tecnología en electro-movilidad con el objetivo de reducir la emisión de gases contaminantes. Una de las principales necesidades es lograr que los vehículos eléctricos e híbridos sean más eficientes y fiables cada vez. En este sentido, investigaciones se llevan a cabo para desarrollar la nueva generación de convertidores DC-DC que satisfagan niveles de eficiencia, densidades de potencia y fiabilidad mayores a los alcanzados con semiconductores basados en Silicio (Si). Los convertidores DC-DC permiten aumentar o disminuir el nivel de voltaje de la batería a los valores requeridos por las diferentes cargas de un vehículo eléctrico como el motor y otros sistemas, así como de regular el flujo y dirección de potencia. La utilización de dispositivos de brecha de banda amplia (WBG) en convertidores DC-DC supone una mejora sustancial debido a su capacidad de manejar mayores potencias, velocidades de conmutación y temperatura. Esto permitirá que los sistemas de conversión de voltaje reduzcan su peso y volumen, soporten mayores densidades de potencia y requieran sistemas de refrigeración de menor dimensión. Además, debido a que en un vehículo eléctrico existen diferentes cargas, los convertidores DC-DC deben ser multidispositivos o multipuertos, aislados o no aislados con bajo rizado de salida y alta eficiencia. El presente proyecto tiene como objetivo el analizar, diseñar y desarrollar un sistema de conversión DC/DC multipuerto bidireccional basado en dispositivos WBG para aplicaciones en tecnología vehicular eléctrica < 3kW considerando la mejora de aspectos como eficiencia, densidad de potencia y fiabilidad. Debido a que este objetivo supone el generar productos cuyas características sean mejores, es necesario realizar una comparación o establecer una línea base sobre desarrollos ya realizados. Para esto, el proceso metodológico iniciará con una primera fase de investigación bibliográfica para determinar el estado del arte de los convertidores DC-DC multipuerto bidireccionales y topologías utilizadas en aplicaciones en vehículos eléctricos. Esto permitirá especificar de mejor manera las tareas de ejecución y desarrollo observando las tendencias y técnicas reportadas en trabajos sobre sistemas de conversión DC-DC multipuerto para sistemas de propulsión eléctrica confiables de alta potencia y alta eficiencia. La segunda fase se relaciona con el desarrollo de los modelos equivalentes de los circuitos de conmutación basados en dispositivos WBG en alta frecuencia. Además, en esta fase se elaborará el modelo del dispositivo planar de transformación que se utilizará en el sistema de conversión DC DC. Este dispositivo permitirá un aislamiento eléctrico manteniendo una alta densidad de potencia a elevadas frecuencias de conmutación y dimensiones reducidas. Se realizará también el modelamiento térmico de este dispositivo para determinar impedancias térmicas a fin de lograr simulaciones de optimización multi-física sobre los elementos más críticos del sistema de conversión. La tercera fase estará orientada al diseño eléctrico, térmico y mecánico de las diferentes etapas que conforman el sistema de conversión objetivo de este proyecto, considerando aspectos como control de flujo y densidad de potencia, disipación de temperatura, entre otros. Un aspecto a considerar durante el diseño es el utilizar técnicas de convertidores resonantes para lograr conmutaciones a voltaje zero (ZVS) con el objetivo de mantener bajas las perdidas dinámicas de potencia aumentando así la eficiencia, y lograr un ajuste de la potencia de salida mediante la variación de la frecuencia de conmutación tratando de aprovechar todo el rango de frecuencia del sistema de transformación utilizado. Debido a que en esta etapa los dispositivos WBG serán utilizados, los efectos de capacitancia e inductancia parásitas de estos dispositivos deberán ser considerados para el diseño de los circuitos de resonancia para las conmutaciones a ZVS. Los diseños planteados serán asistidos por programas CAD y corroborados en su funcionamiento a través de simulaciones utilizando herramientas software como Matlab, Simulink, Simscape y PSIM. El objetivo de estás simulaciones será verificar los niveles de voltaje y corriente, temperatura y generación EMI bajo condiciones de funcionamiento acordadas y alta frecuencia. Finalmente, en esta fase se deberán también desarrollar los algoritmos y patrones de control óptimo sobre el flujo y conversión de energía dentro del convertidor DC-DC considerando modos de funcionamiento saludable para el sistema, a más de considerar posibles fallas y sus efectos, los mismos que deberán ser monitoreados por un sistema de supervisión. Los diseños planteados en esta fase deberán ser optimizados en referencia a consideraciones eléctricas, térmicas, electromagnéticas y mecánicas para obtener un sistema de conversión equilibrado, eficiente y confiable. La cuarta fase se enfocará en la implementación prototipal del sistema de conversión DC-DC diseñada, mediante la implementación de las placas de circuitos impresos (PCBs) que consideren aspectos eléctricos parásitos, electromagnéticos y térmicos no deseados mediante la ubicación cercana de los dispositivos de conmutación a los circuitos drivers, utilización de blindajes contra EMI, disposición adecuada de disipadores de temperatura, entre otras. Finalmente, en una quinta etapa se realizarán las pruebas de validación necesarias para evaluar la eficiencia y fiabilidad del convertidor. En el proyecto participarán investigadores del grupo MCIA de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), mientras que de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH) participan el GITEA y GIEM. Las actividades y tareas de investigación serán desarrolladas en las instalaciones de ambas instituciones. Además, el proyecto contará con el partner industrial Talleres Automotrices Álvarez a través de la cual se podrá realizar una mejor transferencia tecnológica y aplicativa durante las diferentes etapas del proyecto. Este proyecto beneficiará directamente a los investigadores, grupos de investigación y partner industrial que intervendrán, los mismos que ganarán un know-how específico sobre este tipo de tecnologías, a partir del cual se podrá generar nuevos proyectos de investigación o vinculación con la industria de electromovilidad en Ecuador y España. Además, se generarán espacios para la participación de estudiantes a través de trabajos de titulación de grado y posgrado. Los recursos necesarios para este proyecto serán entregados por la ESPOCH, UPC y Talleres Automotrices Álvarez, sin embargo, serán administrados de manera independiente. El responsable principal del proyecto será Jorge Hernández Ambato, Ph.D., y el subdirector será Esteban Guevara, M.Sc., y se contará con el apoyo administrativo y técnico del Ing. Jhon Cevallos. Por otro lado, los colaboradores externos serán los investigadores Luis Romeral, Ph.D., Miguel Delgado Prieto, Ph.D., y Alejandro Paredes, Ph.D., de la UPC. Así mismo, el representante del partner industrial y colaborador aplicativo y de conexión con el sector automotriz interesado en el proyecto será el Ing. Diego Álvarez.
  • Objetivo General:  A. Objetivo General Desarrollar un sistema de conversión DC/DC multipuerto bidireccional basado en dispositivos WBG para aplicaciones en tecnología vehicular eléctrica ligeros considerando la mejora de aspectos como eficiencia, densidad de potencia y fiabilidad.
  • Objetivos Específicos:  B. Objetivos Específicos  Estudiar la literatura reportada para determinar el estado del arte sobre convertidores DCDC multipuerto bidireccionales y en particular aquellos desarrollados en base a dispositivos WBG y aplicados a vehículos eléctricos, y que involucren control supervisorio y optimización.  Definir las especificaciones técnicas y características de operación del convertidor DC-DC multipuerto bidireccional, a partir de un escenario de aplicación o pruebas y el Estado del Arte (SoA), para que sean consideradas durante la fase de modelación y diseño.  Determinar los modelos eléctrico-magnético y térmico correspondientes a los componentes principales de un convertidor DC-DC multipuerto bidireccional tales como transformador planar y dispositivos WBG.  Diseñar de manera optimizada el sistema de conversión DC-DC multipuerto bidireccional aislado basado en las características de los dispositivos WBG y transformador planar puntualizando en aspectos como eficiencia, densidad de potencia y fiabilidad a través de control supervisorio.  Implementar el prototipo de convertidor DC-DC multipuerto bidireccional diseñado considerando aspectos como generación EMI reducida, supresión de efectos parásitos no deseados en los dispositivos de conmutación, gestión térmica, y comunicación fiable con las unidades de control y supervisión del sistema.  Validar bajo condiciones controladas el prototipo de convertidor DC-DC multipuerto bidireccional implementado para evaluar aspectos como eficiencia, densidad de potencia y fiabilidad de las unidades de control y supervisión del sistema.  Recopilar la documentación técnica relativa a la metodología y resultados logrados que conlleve a la publicación de artículos científicos y registro de los productos alcanzados.
  • Beneficiarios:  2.10 BENEFICIARIOS DIRECTOS E INDIRECTOS Usuarios:  Investigadores del Grupo de Investigación en Tecnología Electrónica y Automatización (GITEA) de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (Ecuador).  Investigadores del Grupo de Investigación en Electromagnetismo y Microondas (GIEM) de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (Ecuador).  Motion Control and Industrial Application (MCIA) research center de la Universidad Politécnica de Cataluña UPC (España).  Talleres Automotrices Álvarez de la ciudad de Riobamba – Ecuador. Beneficiarios inmediatos (Directos):  Investigadores del Grupo de Investigación en Tecnología Electrónica y Automatización (GITEA) de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (Ecuador).  Investigadores del Grupo de Investigación en Electromagnetismo y Microondas (GIEM) de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (Ecuador).  Investigadores del Motion Control and Industrial Application (MCIA) research center de la Universidad Politécnica de Cataluña UPC (España).  Los Talleres Automotrices Álvarez que podrán conocer y aprovechar de primera mano los conocimientos, experiencia y resultados de investigación alcanzados en el proyecto. Beneficiarios mediatos (Indirectos): La Escuela Superior Politécnica de Chimborazo y la Universidad Politécnica de Cataluña que se beneficia con el registro de los trabajos de publicación realizados en el marco del proyecto.  Los actores que se beneficiaran la colaboración entre la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo y el partner industrial Talleres Automotrices Álvarez.  Los grupos de investigación GITEA, GIEM y MCIA que contarán entre sus logros la colaboración internacional y desarrollos alcanzados en el marco de este proyecto.  Estudiantes de pregrado y posgrado que se encuentren vinculados al proyecto mediante trabajos de fin de carrera relacionados y ejecutados en el marco del proyecto.  Toda persona colaboradora externa involucrados en el proyecto. 2.11 IMPACTOS 1) Social Los Talleres Automotrices Álvarez ha manifestado su interés de colaborar y auspiciar parte de la investigación aplicativa relacionada a la propuesta del presente proyecto que se enfoca en el desarrollo de un sistema de conversión DC-DC multipuerto bidireccional de alta eficiencia y densidad de potencia basado en dispositivos WBG para vehículos eléctricos ligeros. Dicha relación de colaboración con este partner industrial marcará una línea de guía para el aprovechamiento de los alcances, logros y resultados del proyecto por parte del sector social, y en particular de aquel relacionado al sector de los servicios de diagnóstico, mantenimiento y reparación de vehículos híbridos y eléctricos. 2) Científico En el proyecto se prevé dos etapas de desarrollo que pueden ser de gran contribución en impacto científico. La primera etapa está relacionada con las tareas de modelación térmica, física y eléctrica de los dispositivos más importantes del sistema de conversión de alta eficiencia. La segunda es aquella relacionada al diseño del sistema de conversión DC-DC multipuerto bidireccional y del sistema de control supervisorio para la monitorización de fallas de las etapas más críticas del sistema. Los diseños serán implementados y validados bajo condiciones controladas. Las tareas aquí desarrolladas serán gran valía para la generación de los resultados de publicación y registro de propiedad esperados. 3) Económico El proyecto está orientado a contribuir al desarrollo de la nueva generación de convertidores DC-DC de alta eficiencia para su aplicación en vehículos eléctricos a batería (BEV) y vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV). Esto supondrá un impacto económico sobre los costos-beneficios de las inversiones realizadas sobre este tipo de tecnologías debido al aumento de autonomía y reducción de costos de fabricación. Sin embargo, el demostrar este impacto esta fuera del alcance del proyecto. 4) Político El proyecto no prevé un impacto en el ámbito político. 5) Ambiental El gobierno del Ecuador busca garantizar los derechos de la naturaleza y promover la sostenibilidad ambiental, territorial y global. Por tal motivo, el presente proyecto pretende contribuir al desarrollo de la nueva generación de convertidores DC-DC de alta eficiencia para su aplicación en vehículos eléctricos a batería (BEV) y vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV). Esto tendrá un impacto ambiental al entender y plantear la línea base de desarrollo de sistemas de conversión energéticos más eficientes. Esta meta encaja con el objetivo 11 del Plan Nacional de Desarrollo 2017 – 2021, el cual busca duplicar la capacidad instalada de energías renovables y mejorar el aprovechamiento de energías y tecnologías amigables con el ambiente, lo que vuelve pertinente al proyecto planteado. 6) Otros Todos los impactos que pudieran resultar de la ejecución del presente proyecto y que no han sido considerados anteriormente.
Miembros
  • JORGE LUIS HERNANDEZ AMBATO - Director proyecto
    jorge.hernandez@espoch.edu.ec
    SENIOR
  • LENIN ALEJANDRO CRUZ VACA - Investigador tesista de grado
    lenin.cruz@espoch.edu.ec
    NO ASIGNADO
  • EDWIN ESTALIN GUAMAN CHUQUITARCO - Investigador tesista de grado
    estalin.guaman@espoch.edu.ec
    NO ASIGNADO
Grupos
  • GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN ELECTROMAGNETISMO Y MICROONDAS
  • GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN TECNOLOGÍAS DE LA ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA.
Facultades
  • INSTITUTO DE INVESTIGACIONES
Carreras
  • ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN
Programas
  • PRODUCCIÓN ANIMAL SUSTENTABLE
  • ROBÓTICA Y CONTROL
  • HERRAMIENTAS PARA EL MANTENIMIENTO
  • MODELADO Y SIMULACIÓN MOLECULAR
  • TECNOLOGÍA VEHICULAR
Líneas
  • PROCESOS TECNOLÓGICOS, ARTESANALES E INDUSTRIALES 2019