Diseño y modelado de la arquitectu ra eléctrica de un eVTOL utilizando baterías y pila de combustible

P oyec o Fin de Ca e a Ingenie ía de Telecomunicación Fo ma o de Publicación de la Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Au o : F. Ja ie Payán Some Tu o : Juan José Mu illo Fuen es Dep. Teo ía de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2013 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía Ae oespacial Diseño y modelado de la a qui ec u- a eléc ica de un eVTOL u ilizando ba e ías y pila de combus ible Au o : Juan Ped o Pé ez Ma ine o Tu o : Ma ía Angeles Ma ín P a s Dp o. Ingenie ía Elec ónica Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2024 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía Ae oespacial Diseño y modelado de la a qui ec u a eléc ica de un eVTOL u ilizando ba e ías y pila de combus ible Au o : Juan Ped o Pé ez Ma ine o Tu o : Ma ía Angeles Ma ín P a s P o eso Ti ula Dp o. Ingenie ía Elec ónica Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2024 T abajo Fin de G ado: Diseño y modelado de la a qui ec u a eléc ica de un eVTOL u ilizando ba e ías y pila de combus ible Au o : Juan Ped o Pé ez Ma ine o Tu o : Ma ía Angeles Ma ín P a s El ibunal nomb ado pa a juzga el abajo a iba indicado, compues o po los siguien es p o eso es: P esiden e: Vocal/es: Sec e a io: acue dan o o ga le la cali icación de: El Sec e a io del T ibunal Fecha: Ag adecimien os A mis pad es, po apoya me du an e odo es e p oceso que an os lamen os y aleg ías me ha dado. A mis amigos de siemp e, po se mi apoyo desde el p incipio y habe celeb ado odos mis log os como si uesen los suyos, y a la gen e que he conocido desde que en é en la uni e sidad, que han hecho de es os cinco años, una e apa que eco da é con ca iño oda la ida. Juan Ped o Pé ez Ma ine o Se illa, 2024 I Resumen E l obje i o de es e es udio es el diseño y simulación de un modelo de a qui ec u a eléc ica pa a un eVTOL. Pa a consegui ese obje i o, se ha analizado el es ado del a e de los eVTOL, desc ibiendo los di e en es ipos que exis en y el modelo de misión ípica de es as ae ona es. Seguidamen e, se han es udiado las ca ac e ís icas de las di e en es ipologías de a qui ec u as eléc icas y en base a es e análisis, se ha de inido la ipología de alimen ación, siendo es a po gene ación híb ida con pila de combus ible y ba e ía. A con inuación, se ha p ocedido a dimensiona las uen es de ene gía de o ma que sean capaces de sopo a una misión in e u bana de un eVTOL mul i o o . Se han diseñado los con e ido es asociados a las uen es de inidas, jun o a las ensiones que o man los buses del ci cui o, y una ez modelado el ci cui o, se ha simulado un pe il de uelo en el que la ca ga some ida a cada uen e se ha cuan i icado en base al g ado de hib idación de cada ase. III 2Capí ulo 1. In oducción • Du an e las ases más comp ome idas de uelo debe habe al menos 2 disposi i os p opulso es en uncionamien o. [4] 1.2 Clasi icación de los eVTOL A la ho a de clasi ica , podemos hace lo de dos o mas dis in as, ya sea eniendo en cuen a su ango o el ipo de ae ona e del que se a e. 1.2.1 Clasi icación po ango Dis inguimos dos ipos: • UAM (U ban Ai Mobili y): Ae ona es con un ango de 5-40 km, usados pa a misiones in au banas, que ope an a una elocidad de uelo en e 70-120 km/h. • RAM (Regional Ai Mobili y): Ae ona es con un ango de 100-300 km, con la capacidad de conec a zonas in e u banas, y una elocidad de uelo de mas de 200km/h. [11] 1.2.2 Clasi icación po a qui ec u a Aplicando es e c i e io, amos a clasi ica los ehículos dependiendo de la dis ibución y ipología de sus mo o es. VTOL sin ala o mul icóp e os En es e g upo se incluyen las ae ona es sin ala equipadas con múl iples o o es. Tienen una con igu ación simple y una al a e iciencia en las ases de despegue, a e izaje y planeo [ 8 ]. Es os VTOL ienen un bajo peso, dado que ca ecen de con ibución a la masa o al del ala. Cuen an con una g an supe icie de ba ido de disco, aduciéndose en una baja ca ga de disco (es os é minos se desc ibi án en el siguien e pun o Sección 1.3). No obs an e, su e iciencia en uelo c uce o es limi ada, po lo que se emplean p incipalmen e en ayec os de UAM o misiones de co a dis ancia. Figu a 1.1 Ehang 216: VTOL mul icóp e o. 1.2 Clasi icación de los eVTOL 3 "Li + c uise" Es as ae ona es ienen p opulso es independien es pa a el ascenso y pa a el c uce o. Pues o que, a di e encia de los mul i o o es, es as ae ona es ienen equipada un ala, consiguen así una mayo e iciencia en la ase de c uce o. Además, poseen unos mo o es con meno can i- dad de hélices y meno cue da en ellas, con el in de educi su esis encia ae odinámica. No obs an e, es o epe cu e en su acús ica, ocasionando al as emisiones de uido. Figu a 1.2 Ci yAi bus Nex Gen-eVTOL: VTOL L+C. VTOL de empuje di igido Es e g upo es á con o mado po 3 ipos de ae ona es: • VTOL de o o inclinable: En es e ipo de ae ona es, se mon an los o o es en un eje gi a o io pa a di igi el empuje. Du an e las ases e icales, el mo o apun a hacia a iba y a o ando su eje de gi o p og esi amen e mien as la ae ona e a ganando elocidad has a llega a una posición pa alela al suelo, una ez alcanzada la elocidad de c uce o. • VTOL de ala inclinable: En es e caso es el ala en e a con los mo o es la que gi a. Con es o se consigue una mayo e iciencia en el planeo al e i a la educción de empuje que gene a un ala ija. • Empuje canalizado: En es os VTOL, el an se ubica den o de una góndola. Median e es o conseguimos una educción de las pé didas de pun a de ala y po an o un aumen o en la e iciencia en c uce o [16]. 4Capí ulo 1. In oducción (a) Joby S4: Ae ona e de o o gi a o io. (b) NASA G eased Lig hning: Ae ona e de ala inclinable. (c) Lilium 7: ae ona e de empuje canalizado. Figu a 1.3 Ae ona es de empuje di igido. 1.3 Pe il gene al de misión El uelo de un VTOL sigue, en gene al, las siguien es ases según [11]: 1. Ho e : Es a ase inicial es donde la ae ona e despega o a e iza e icalmen e. No se p oduce desplazamien o ho izon al. 2. Fase de ansición: La ae ona e cambia su con igu ación pa a comenza el despla- zamien o ho izon al. En el anscu so de la ase hay un dec emen o cuad á ico de la po encia eque ida, ya que a medida que aumen a la elocidad, empieza a ac ua la sus en ación gene ada po las alas, en caso de habe las. 3. Escalada: Du an e es a ase el VTOL a ganando elocidad y al u a has a llega a la al i ud y elocidad de c uce o. 4. C uce o: El uelo p osigue a elocidad y al i ud cons an e. 5. Descenso: Análogo a la escalada, la ae ona e a disminuyendo su al i ud y elocidad con o me se ap oxima a su des ino. 6. T ansición: Al igual que as el planeo o icial se cambia la con igu ación pa a ealiza el ho e de a e izaje sin desplazamien o ho izon al. 7. Ho e : El ehiculo dismuye su al i ud has a oca ie a. 1.3 Pe il gene al de misión 5 Figu a 1.4 Pe il ípico de una misión de un VTOL [11]. De odas las ases de uelo, al igual que en el caso de las ae ona es con encionales independien emen e del consumo o geome ía, las e apas que más ene gía equie en son las que ealizan ayec os e icales. Es a po encia eque ida es á ue emen e in luenciada po un pa áme o de diseño denominado ca ga de disco. La ca ga de disco ( T/A ) se de ine como el cocien e en e el empuje de un mo o y el á ea o al de disco del o o , es deci , es la p esión a la que es á some ido el o o , (algunos au o es lo de inen ambién como el cocien e en e el MTOM y el á ea del o o [ 21 ] ). En el caso de los mul i o o es enemos un T/A≈20 −50kg/m2 y en los VTOL de o o inclinable T/A≈80 −120kg/m2 . Es os alo es dependen de si la ae ona e se des ina p incipalmen e pa a ayec os de c uce o con poca dependencia del ho e . En el es o de las ases de uelo, la po encia eque ida la a a de e mina pa áme os ae odinámicos como el cocien e L/D . Dicho es o se puede e como en ae ona es como los mul i o o es, debido a su bajo peso, o ae ona es con mayo á ea de disco de o o , equie en poca po encia en las ases de despegue y a e izaje. Se llega ambién a que los VTOL con o o es g andes an a gene a una mayo esis encia y po an o, eque i án una mayo po encia que un VTOL de ala ija du an e el c uce o, debido a su e iciencia ligada a la sus en ación gene ada du an e el c uce o. 2 Análisis compa a i o de a qui ec u as eléc icas y con e ido es en ae ona es VTOL E l p ime paso pa a ealiza odo diseño es sabe los eque imien os que a a ene que cumpli . En el caso del diseño de las a qui ec u as pa a un en de po encia de un VTOL, necesi amos sabe : • Tipo de ae ona e: Ya que cada una de las a iedades de VTOL desc i as en Sec- ción 1.2, iene unos eque imien os p ede e minados. • Rango de uelo: Pa a pode de ini la capacidad de nues os elemen os de gene ación de ene gía. •Ca ga de pago: Pun o de e minan e pa a la po encia eque ida. •Pe il de uelo Una ez de inido es o, amos a se capaces de decan a el diseño, bien po una con i- gu ación lige a y ene gé icamen e e icien e o pesada de bajo consumo [ 17 ]. Pa a ello, se desc iben a con inuación las a qui ec u as que cumplen dichas desc ipciones. 2.1 Tipología de las a qui ec u as eléc icas usadas en ae ona es VTOL 2.1.1 A qui ec u as pu amen e eléc icas En es e g upo se encuen an las a qui ec u as cuya alimen ación se basa en ba e ías eléc i- cas lo que pe mi e conec a los elemen os del ci cui o en se ie. Modelo DC En es a opción enemos una ba e ía conec ada a un disyun o en se ie que alimen a un bus de dis ibución. Es e bus alimen a a las ca gas, que a a és de o o disyun o y un in e so alimen an al mo o . 7 8Capí ulo 2. Análisis compa a i o de a qui ec u as eléc icas y con e ido es en ae ona es VTOL Figu a 2.1 A qui ec u a DC. Modelo AC Es e caso es bas an e pa ecido al an e io . La di e encia p incipal es que la po encia eque i- da se ob iene di ec amen e con i iendo la ex aída del bus de dis ibución. Seguidamen e, se epa e a las ca gas y al mo o en su o ma al e na median e cableado. Figu a 2.2 A qui ec u a con dis ibución secunda ia en AC. 2.1.2 A qui ec u a u bo-eléc ica En es e caso, la ba e ía se sus i uye po un mo o cuya u bina mue e un gene ado . La pa e de las ca gas se alimen a po cableado usando un combo ec i icado -in e so pa a ealiza con e siones en al a ecuencia pa a el mo o . Figu a 2.3 A qui ec u a u bo-eléc ica. 2.1.3 A qui ec u a híb ida Es a a qui ec u a combina elemen os de la u boeléc ica y la pu amen e eléc ica en con i- nua. La pa e de las ca gas es idén ica a la pu amen e eléc ica, con el in e so jus o an es de los mo o es. La di e encia eside en la pa e gene a i a, donde enemos un sis ema híb ido de dos uen es de ene gía, en la que una de ellas es una ba e ía que nos a a da sopo e en las ases de uelo en las que se necesi an picos de po encia (despegue y a e izaje) y una segunda uen e de ene gía, gene almen e un mo o con un gene ado como en la u boeléc ica (sección 2.1.2) o una pila de combus ible, la cual nos da sopo e en el c uce o. 2.1 Tipología de las a qui ec u as eléc icas usadas en ae ona es VTOL 9 Figu a 2.4 A qui ec u a híb ida. 2.1.4 Compa ación de a qui ec u as En es e apa ado se p ocede a compa a las ca ac e ís icas de las a qui ec u as an e io men e mencionadas. Como mues a, se usan a qui ec u as híb idas con di e en es g ados de hib idación ( elación en e la po encia suminis ada po la ba e ía y la po encia o al eque ida 2.1), a qui ec u as pu amen e eléc icas y a qui ec u as híb idas con pilas de combus ible. H=PBa PBa +Pgen (2.1) Compa ación po encia-ene gía Pa a es e apa ado se hace uso de las siguien es g á icas: (a) Ra io po encia/peso. (b) Ra io Wh PAX·km . Figu a 2.5 Compa a i a de ene gía y po encia [4]. En las g á icas an e io es se ep esen a la elación po encia-peso ( 2.5a) y la elación de ene gía pa a una misión de 50 km y pasaje os, po pe sona y kilóme o ( 2.5b). En el p ime caso se obse a que las a qui ec u as cuya gene ación es solamen e po ba e ías son las que menos a io ienen, siendo po an o las más e icien es a é minos de 10 Capí ulo 2. Análisis compa a i o de a qui ec u as eléc icas y con e ido es en ae ona es VTOL po encia. En cambio, las a qui ec u as con pilas de combus ible son las de mayo a io. En la segunda g á ica emos cómo las con igu aciones híb idas son las que menos ene gía necesi an a bajos alo es de hib idación y con o me aumen a el a io de ene gía dada po las ba e ías, es a demanda aumen a debido al aumen o del peso de es as. Po an o, de las g á icas se de i an las siguien es a i maciones: • Las a qui ec u as con al os alo es de hib idación y las que ienen una gene ación únicamen e con ba e ías, son las más e icien es en é minos de po encia especí ica, es deci , son las a qui ec u as que pe mi en maximiza la po encia gene ada mien as se minimiza el peso o al de la ae ona e. Sin emba go, en é minos de ene gía son las más ine icien es. • Las a qui ec u as híb idas a bajo g ado de hib idación son las más e icien es en é minos de ene gía debido a su gene ación al e na i a a la ba e ía. Compa a i a en é minos de ango En es e apa ado se a a compa a la e olución en masa y en ene gía de las di e en es a qui ec u as con o me aumen a el ango de diseño de la ae ona e. Pa a ello se pa e de las siguien es g á icas: Figu a 2.6 E olución del peso con el ango [4]. 2.1 Tipología de las a qui ec u as eléc icas usadas en ae ona es VTOL 11 Figu a 2.7 E olución de la ene gía con el ango [4]. En elación con las g á icas, inicialmen e se obse a en la Figu a 2.6 como e oluciona el MTOM de los eVTOL con o me aumen a el ango de diseño con la es icción de masa es ipulada po la EASA comen ada en el apa ado 1.1. Como p ime a obse ación, se e el c ecimien o exponencial del peso en el caso de las a qui ec u as pu amen e eléc icas dadas las limi aciones en la ecnología ac ual (la ene gía g a imé ica ac ual de las ba e ías es á en o no a 200-300 Wh/kg [ 10 ]).A mayo ango, el MTOM su e es e c ecimien o, dado que inc emen a el peso en ba e ías que debe ene la ae ona e. Sepa ando la g á ica en a qui ec u as pa a angos co os y a qui ec u as pa a angos la gos, podemos a i ma que en el caso de diseña una ae ona e, a la ho a de ene en cuen a la masa de nues a a qui ec u a eléc ica, pa a angos co os, nos debemos decan a po una a qui ec u a híb ida y pa a angos al os po una híb ida con pila de combus ible, pues su peso apenas c ece con el ango. Respec o a la Figu a 2.7, aquí se ep esen a la ene gía demandada po el sis ema en e a un aumen o en el ango de diseño. Se pe cibe cla amen e cómo la mayo ía de las a qui ec- u as siguen una endencia a educi su demanda de ene gía con o me aumen a el ango, a excepción de las a qui ec u as pu amen e eléc icas. 2.1.5 Conclusiones A modo de esumen, se expone en o ma de abla las en ajas y des en ajas de las dis in as a qui ec u as expues as an e io men e: 18 Capí ulo 3. Diseño de dis ibución eléc ica de eVTOL aumen ando. Debido a es e alo a iable de la ensión dada po una pila de combus ible, pa a pode implemen a la en nues o ci cui o se á necesa io algún ans o mado que nos man enga la ensión de la pila en una ensión ija. Es o lo conseguimos median e con e ido es con aislamien o gal ánico. Pa a pode escoge un con e ido adecuado pa a el ci cui o a diseña se ha ealizado una lec u a de di e sos a ículos basados en la compa ación de con e ido es pa a aplicaciones MEA (Mo e Elec ic Ai c a s) y ae ona es eVTOL. En [ 10 ] se compa an a ios con e ido es de es e ipo y llegan a la conclusión de que hoy en día, dadas las limi aciones de po encia g a imé ica de los con e ido es (20 kW/kg), con un con e ido de ocho ansis o es se alcanza un diseño e icien e, compac o y li iano sin comp ome e la e iciencia. Des aca que, en el caso de aumen a el núme o de ansis o es, se es á inco po ando una mayo complejidad y un peso adicional al ci cui o, ac o es c í icos en aplicaciones como los eVTOL, sin que es o se aduzca en una mejo a signi ica i a en el endimien o. De en e los di e en es con e ido es de ocho ansis o es, se ha escogido un con e i- do Dual Ac i e B idge (DAB), con modulación po desplazamien o de ase (Phase-shi modula ion), debido a su simplicidad. 3.3 Dual Ac i e B idge El con e ido DAB, se basa en la unión de dos con e ido es de puen e comple o po un ans o mado . Es a disposición de los elemen os nos p opo ciona un aislamien o an e co oci cui os y picos de ensión a nues o ci cui o. Figu a 3.4 Esquemá ico del con e ido DAB. Como podemos e en la Figu a 3.4, es e con e ido cuen a con ocho in e up o es en an ipa alelo o mando dos puen es en H. En la en ada y la salida se ins ala un il o pa a consegui una salida con menos ac o de izado y desacoplando ambos ci cui os; enemos 3.4 Ba e ía 19 un ans o mado de al a ecuencia con una bobina de acoplamien o a su salida. En es a ipología de con e ido , la p ime a ama eje ce como in e so , po lo que no - malmen e se le denomina puen e ac i o. Una ez pasa po el in e so , la co ien e a anza po el ans o mado donde se ealiza la subida o bajada de ensión. Finalmen e, se ec i ica median e el puen e ac i o secunda io, es deci , la segunda ama, a la misma ecuencia que la pa e in e so a, consiguiendo así un alo es able de ensión. 3.4 Ba e ía Las ba e ías son disposi i os elec oquímicos, al igual que las pilas de combus ible, con la di e encia p incipal de que és as almacenan ene gía en o ma química y la con ie en en ene gía eléc ica; no la gene an a a és de eacciones químicas. Las ba e ías se componen de celdas, las cuales con ienen un ánodo y un cá odo con un elec oli o en e ambos que acili a el mo imien o de iones en e ellos a a és de un ci cui o ex e no (Figu a 3.10). Figu a 3.5 Esquema de una ba e ía [5]. 3.4.1 Ca ac e ís icas de las ba e ías y aplicaciones en los eVTOL La in ensidad dada po la ba e ía se mide median e la capacidad de ca ga (Ah), ca ac e- ís ica de e minada po la na u aleza de su composición, que nos de ine los ampe ios a lo la go de una ho a con inua que p opo ciona la ba e ía [13]. En el con ex o de los eVTOL, la ba e ía es un sis ema diseñado especí icamen e pa a alimen a los mo o es eléc icos de la ae ona e. Es po ello que se necesi a que engan una al a densidad ene gé ica (pa a maximiza la au onomía de uelo), al a densidad de po encia (necesa ia po los amos donde más po encia se demanda), un peso op imiza- do y elemen os de segu idad pa a e i a iesgos como sob ecalen amien os o co oci cui os. Sin emba go, el p oblema eside en que la ecnología de las ba e ías en eVTOL en en a limi aciones como un al o peso y menos au onomía en e a sis emas con encionales (den- 20 Capí ulo 3. Diseño de dis ibución eléc ica de eVTOL sidad de ene gía g a imé ica en o no a 200-300 Wh/kg [ 10 ]), A o unadamen e, ac o es como la educción de cos os, g acias al auge de la au omoción eléc ica, o el aumen o de la densidad ene gé ica o po encia especí ica, p ome en mejo as en endimien o y alcance de los eVTOL como se io en la Figu a 2.8. Pa a implemen a la ba e ía en nues o ci cui o, al igual que en el caso de la pila de combus ible, necesi amos un egulado de ensión que nos ala gue la ida ú il de la ba e ía, haciendo así nues o p o o ipo más sos enible. En el caso de la ba e ía, al da nos una ensión cons an e, no necesi amos que nues o ans o mado enga aislamien o gal ánico; es po ello que se op a po un con e ido Buck. 3.5 Con e ido Buck El con e ido Buck es un ipo de con e ido DC/DC que educe el ol aje de salida en compa ación con el ol aje de en ada. La Figu a 3.6 mues a el esquema básico de es e con e ido , donde Vd ep esen a el ol aje de en ada y Voel de salida. Su diseño incluye una bobina L , un condensado C , un diodo y un ansis o , al y como se e en la Figu a 3.6 Figu a 3.6 Con e ido Buck [12]. Su uncionamien o se basa en dos modos p incipales, dependiendo del es ado del in e- up o : • Modo de conducción: Se da cuando el in e up o es á ce ado, de o ma que la co ien e luye desde la uen e de en ada hacia la ca ga a a és de la bobina. La bobina almacena ene gía en o ma de campo magné ico debido al aumen o de la co ien e. En es e es ado, el diodo se encuen a en pola ización in e sa y no conduce. •Modo de bloqueo: Se da cuando el in e up o se ab e. Es o p o oca que la bobina libe e la ene gía almacenada, man eniendo el lujo de co ien e hacia la ca ga. En es e modo el diodo se pola iza en di ec o, pe mi iendo que la co ien e luya hacia la ca ga y el condensado . 3.6 Diseño del ci cui o 21 En la pa e cen al de Figu a 3.6, se encuen a el " il o pasa bajas", o mado po el condensado y la bobina. La unción del condensado es la de sua iza las a iaciones de ol aje de salida, ac uando como il o jun o a la bobina pa a minimiza el izado. Una ez de inidos los elemen os p incipales de nues o ci cui o, se de ine a con inuación el p ocedimien o seguido pa a su implemen ación y escalado. 3.6 Diseño del ci cui o En es e capí ulo se an a de ini p ime o la aplicación y con ello los eque imien os de po encia que a a ene nues o ci cui o. 3.6.1 Po encias del ci cui o A la ho a de escala el ci cui o, el p ime paso es de ini pa a qué ipo de eVTOL, de los de inidos en la sección 1.2.2, a a se diseñado el ci cui o. La elección ha sido un mul icóp e o, ae ona e ideal pa a misiones in e u banas debido a su buena ac uación en la ase de planeo. Pa a la ecogida de da os, el modelo escogido ha sido un Ehang 184. Ehang 184 El Ehang 184 es un eVTOL sin ala mul i o o con las siguien es ca ac e ís icas: Tabla 3.1 Ca ac e ís icas del Ehang 184 [3]. Especi icaciones del eVTOL Po encia máxima 152 kW Tiempo máximo de uelo 25min Po encia de planeo 79.1 kW Po encia de c uce o 54.6 kW Figu a 3.7 Especi icaciones del Ehang 184 [6]. 22 Capí ulo 3. Diseño de dis ibución eléc ica de eVTOL Viendo la abla 3.1, ob enemos las po encias eque idas pa a cada ase de uelo, siendo és as las que an a sopo a nues o diseño. Po o a pa e, dado que nues o ci cui o se o ma po dos uen es de ene gía, es a po encia eque ida a a se p opo cionada po ambas uen es con un de e minado g ado de hib idación en e la ba e ía y la pila de combus ible. Es e pun o se explica á a con inuación. 3.6.2 Pe il de Misión Una ez de inida la ca ga necesa ia pa a cada amo, se p ocede a es ima la du ación de cada e apa de uelo jun o al g ado de hib idación asociado a cada una. Una de las ca ac e ís icas ele an es asociadas a las uen es es ablecidas es la sensibilidad de cie os componen es de las pilas de combus ible polimé icas, como la memb ana y los ca alizado es, ep esen ando un incon enien e signi ica i o, especialmen e conside ando el al o cos e de es as ecnologías. Po ello, esul a con enien e mi iga los picos de po encia median e la implemen ación de uen es con bajo ni el de hib idación en e sí en los amos con mayo es picos de ensión. Es o, añadido al uso de egulado es de ensión, con ibuye a p ese a la in eg idad y e iciencia del sis ema. Es po ello po lo que, en los ins an es iniciales y inales del uelo del eVTOL, la po encia consumida po los mo o es eléc icos de la ae ona e a a se p opo cionada po las ba e ías con un ele ado g ado de hib idación. (Ecuación 2.1). Figu a 3.8 Pe il de misión con g ado de hib idación [14]. En la igu a 3.8 pe enecien e a [ 14 ], se ep esen a un pe il de una misión a lo la go del iempo. En la pa e de echa es án ep esen ados los g ados de hib idación del ci cui o (en el documen o se de ine H=P c/P o al , no ación que se segui á a pa i de es e pun o). Como podemos e en las ases de despegue y a e izaje, es donde más po encia se equie e con bajo ni el de hib idación, y en el c uce o, en cambio, enemos una po encia más baja con al o ni el de hib idación. 3.7 Implemen ación en Simulink 23 DoH =P c P c +Pba (3.1) Figu a 3.9 Exp esion del g ado de hib idación. Po an o, eniendo en cuen a la Figu a 3.8 y la abla 3.1 se de inen las po encias eque idas a cada elemen o de gene ación de ene gía du an e la misión: Tabla 3.2 Po encias de la misión. Fases de uelo Despegue C uce o A e izaje Po encia o al 79.1 kW 54.6 kW 70 kW Doh 0.08 0.82 0.15 Po encia ba e ía 72.772 kW 9.928 kW 59.5 kW Po encia pila 6.328 kW 44.772 kW 10.5 kW Como se ha desc i o an e io men e, se obse a cómo la po encia de la pila de combus ible es mayo que la de la ba e ía en el c uce o y en las o as ases es al con a io. 3.7 Implemen ación en Simulink En es a ase de nues o es udio, llega el momen o de ex apola es os esul ados a Simulink e implemen a los. En p ime luga se de inen las uen es de ensión: 3.7.1 De inición de la ba e ía y de la pila de combus ible Pa a el caso de la ba e ía se ha op ado po usa el bloque co espondien e a una uen e de co ien e con inua ideal (Figu a 3.10). Dado que las po encias son ele adas, se ha impues o que el ol aje dado po la ba e ía sea de 500V. Figu a 3.10 Ba e ía en Simulink. 24 Capí ulo 3. Diseño de dis ibución eléc ica de eVTOL En el caso de la pila de combus ible se ha op ado po implemen a el bloque "Fuel Cell S ack" con un modelo simpli icado. Pa a consegui los da os eque idos po Simulink se ha pa ido de la pila de combus ible de 80 kW usada en [ 14 ]. Pa a saca el alo de las ensiones y co ien es eque idas se ha hecho uso de las p opiedades de la pila de combus ible HD85 de Balla d ™jun o a las cu as de pola ización incluidas en [ 7 ] pa a consegui los alo es de ensión a 0A y 1A. (a) Bloque de pila de combus ible. (b) Da os pila combus ible. 3.7.2 Con e ido es Tal y como se ha comen ado an e io men e, con el in de ala ga la ida de nues as uen es de ene gía, se les a a ins ala un con e ido a la salida de cada uen e. Además, en es e p oyec o, se ha diseñado un ci cui o eléc ico que in eg a un bus p ima io de 270 VDC y un bus secunda io de 28 VDC. Es a con igu ación sigue los es ánda es ac uales de los sis emas de dis ibución eléc ica en ae ona es. El bus p ima io de 270 V DC pe mi e educi las pé didas po ansmisión en sis emas de al a po encia, como es el caso de los mo o es, mien- as que el bus secunda io de 28 VDC p opo ciona alimen ación adecuada pa a los equipos de meno consumo ene gé ico, como puede se la a iónica. Es e diseño asegu a un ba- lance óp imo en e e iciencia, no ma i as ae onáu icas y uncionalidad del sis ema eléc ico. Pa a mejo a su comp ensión, en la Figu a 3.11 se ep esen a la idea de diseño. Se ha incluido ambién la conexión de o ma esquema izada de los ocho mo o es que iene la ae ona e. Aunque no se ep esen e, es a conexión debe se edundan e como de cos umb e pa a no pe de los mo o es en caso de allo. 3.7 Implemen ación en Simulink 25 Figu a 3.11 Esquema de ci cui o. A con inuación, se expone el mé odo seguido pa a la implemen ación de los con e ido- es necesa ios. Con e ido Buck El p ime paso seguido pa a modela es e con e ido en Simulink ha sido conec a odos los componen es necesa ios pa a el ci cui o: Figu a 3.12 Ci cui o Buck. De los componen es de la Figu a 3.12, se han dejado los alo es po de ec o de Simulink del diodo y el IGBT. En el caso del condensado y la bobina ha habido que ajus a su alo pa a consegui un ac o de izado adecuado. 26 Capí ulo 3. Diseño de dis ibución eléc ica de eVTOL De iniendo D (ciclo de abajo como D=Vou Vin ), ob enemos las exp esiones de la capaci- ancia e induc ancia del condensado y bobina, espec i amen e: L= o ∆IL (1−D)Ts(3.2) C=∆IL·Ts 8∆ o (3.3) El diseño del con e ido se ha ealizado conside ando un izado de co ien e ( ∆IL ) como un ac o del 10% ( 0.1 ) de la co ien e nominal. Además, el pe íodo de conmu ación ( Ts ) se ha calculado imponiendo una ecuencia de conmu ación de s=120 kHz, lo que da: Ts=1 s =1 120 ×103=8.33 µs. Con es as condiciones, los alo es de los componen es pasi os del con e ido se calcu- la on de la siguien e o ma: Cálculo de la bobina(L) El alo de la induc ancia se de e mina con la ó mula es ánda : L=(Vin −Vou )·D·Ts ∆IL =3.83 ×10−4H donde: •Vin =500 V ( ol aje de en ada), •Vou =270 V ( ol aje de salida), •D=Vou Vin =270 500 =0.54, •∆IL=0.1·Inom, con Inom =P Vou =60 kW 270 V=222.22 A, •Po an o, ∆IL=0.1·222.22 =22.22 A. Cálculo del condensado (C) El alo de la capaci ancia se calcula conside ando el izado de ol aje ( ∆V ) y usando la siguien e exp esión: C=∆IL 8· s·∆V=1×10−5F.(3.4) donde: •∆V= 1% del ol aje de salida: ∆V=0.01 ·270 =2.7V, • s=120 kHz =120 ×103Hz. Con es os alo es, asegu amos un izado de co ien e y ol aje adecuado pa a el sis ema p opues o. 3.7 Implemen ación en Simulink 27 Pa a e mina con el diseño del con e ido , queda de ini el con ol de es e. Como écnica de modulación se ha seguido la PWM. En la Figu a 3.13 queda ilus ado el mé odo de modulación usado. En él, se in oduce a modo de cons an e el ciclo de abajo D, cuyo alo se ha calculado an es en la Subsub- sección 3.7.2 y se compa a con una señal po ado a de sie a pa a ac i a el IGBT del con e ido . Figu a 3.13 PWM del con e ido Buck. Una ez implemen ada la modulación PWM, se epi e el p oceso pa a consegui la línea de 28V. Con e ido DAB Al igual que en el caso an e io , se pa e del ci cui o mon ado con odos los componen es conec ados pa a su pos e io escalado (Figu a 3.14). En el caso del con e ido DAB se an a ealiza dos modulaciones, una pa a cada ama del ci cui o. Como se puede obse a en la Figu a 3.14, se han ins alado il os a la en ada y a la salida del DAB con el in de a enua los a mónicos gene ados po las conmu aciones de al a ecuencia. Es os il os ambién p o egen la uen e de en ada y sua izan la co ien e de salida, educiendo las luc uaciones de al a ecuencia que puedan daña disposi i os sensibles. Pa a su escalado se han calculado sus alo es es ableciendo una ecuencia de co e del 10 % de la ecuencia de conmu ación del ci cui o y usando la siguien e exp esión: c=1 2π√LC (3.5) 34 Capí ulo 4. Resul ados de la simulación En la Figu a 4.1 se ep esen a la e olución de la ca ga demandada al ci cui o du an e el iempo de misión. En la g á ica se di e encian las dis in as ases de uelo según el alo de la co ien e demandada. En los p ime os ins an es, se ap ecia cómo se pa e de 0A y una ez a ancan los mo o es, la co ien e empieza a aumen a has a el pun o en el que empieza a es abiliza se. En es e momen o, se conec a la pila de combus ible y se alcanza la po encia eque ida pa a ealiza el despegue. Es a po encia máxima se man iene du an e la ase de despegue y subida de la misión. Una ez alcanzada la al u a de uelo, se educe la po encia has a la eque ida du an e el c uce o y se man iene cons an e du an e la du ación comple a de es a e apa. En los úl imos ins an es de la g á ica se obse a el c ecimien o de la po encia, co es- pondien e al a e izaje y planeo inal has a oca ie a. Figu a 4.2 Pe il de ca gas de la ba e ía y la pila de combus ible. En la Figu a 4.2 se mues a la dis ibución de la ca ga o al du an e el uelo, de la pila de combus ible y la ba e ía, siendo la ba e ía la linea azul y la pila de combus ible la oja. En el p ime amo que aba ca desde que la ae ona e es á en ie a has a que se alcanza el égimen de c uce o, la ca ga aplicada a la ba e ía es supe io a la de la pila de combus ible. Es o se ha modelado de es a o ma, debido a la al a e iciencia de po encia de las ba e ías, al y como se comen ó en el capí ulo 2. Además, si se es udia el compo amien o de la co ien e en la pila de combus ible, se obse a el des ase en e la ba e ía y la pila de combus ible, implemen ado a modo de p o ección. Una ez la ae ona e alcanza las condiciones de c uce o, co espondiendo en la Figu a 4.2 al ins an e ≈0.05s , se ap ecia una disminución de la po encia de la ba e ía y un aumen o 35 en la co espondien e a la pila. Es o se debe a que en el c uce o, al y como se de ine en la abla 4.1, el g ado de hib idación es de 0.82 y, po an o, el peso de la po encia demandada en es a ase ecae mayo i a iamen e en la pila de combus ible. Tabla 4.1 Po encias de la misión. Fases de uelo Despegue C uce o A e izaje Po encia o al 79.1 kW 54.6 kW 70 kW Doh 0.08 0.82 0.15 Po encia ba e ía 72.772 kW 9.928 kW 59.5 kW Po encia pila 6.328 kW 44.772 kW 10.5 kW Finalmen e, en la úl ima ase de uelo, se obse a cómo se alcanza un compo amien o simila al del despegue, en el que la po encia eque ida a la ba e ía supe a a la de la pila de combus ible; es deci , comienza el a e izaje y planeo inal de la misión. En la Figu a 4.2, si se obse a el compo amien o de la pila de combus ible se e cómo la po encia en las ases de poca co ien e iene un compo amien o oscila o io, mien as que en el c uce o se iene un ca ác e ijo. Es e compo amien o se jus i ica haciendo uso de la cu a i- de la pila de combus ible (Figu a 3.2). Debido a que en es as ases se iene el meno g ado de hib idación y, po an o, la co ien e demandada a la pila de combus ible es meno , en las ases inicial y inal la pila se encuen a en su zona de ac i ación, donde el ol aje de la pila de combus ible a ía de o ma no lineal, p o ocando que una a iación de poca magni ud en la co ien e se aduzca en una a iación signi ica i a de la ensión p opo cionada. En cambio, pues o que en el c uce o la co ien e es mayo , la pila se encuen a en su zona óhmica, donde iene un compo amien o lineal. 5 Conclusiones En es e úl imo capí ulo se comen a á el con enido de cada uno de los capí ulos an e io es del abajo a modo de esumen del mismo. En el p ime capí ulo de es e abajo se in oduje on los eVTOL, ae ona es que, g acias a sus p es aciones, es án llamadas a se la solución de p oblemas del anspo e ac ual, como la conges ión del á ico e es e o la con aminación, al se ae ona es o madas comple amen e po mo o es eléc icos. Además, se io cómo el ca álogo de ipos de eVTOL es ex enso, eniendo desde mul i o o es ap os pa a misiones den o de una ciudad con una al a e iciencia en las ases de planeo, al se ae ona es de bajo peso; has a eVTOL con alas y o o es inclinables capaces de eco e g andes dis ancias. En la segunda pa e, a pa i de es udios an e io men e ealizados sob e las a qui ec u as eléc icas, se hizo una compa ación de sus p es aciones y un análisis de los pun os ue es de cada a qui ec u a. Se llegó a la conclusión de que enemos dos g upos de a qui ec u as: aquellas que ienen un buen compo amien o a g adien es de po encia al ene una al a e iciencia en es e aspec o, en es e g upo enemos las ba e ías y los sis emas híb idos con al os g ados de hib idación, y o as cuyo pun o ue e es la can idad de ene gía que nos dan en un uelo, es ando en es e g upo las a qui ec u as que ienen pilas de combus ible y los sis emas híb idos con bajo g ado de hib idación. En ese capí ulo se menciona ambién las limi aciones ac uales de las ba e ías, debido a su peso y su baja ene gía g a imé ica. Es po ello po lo que se llega a la conclusión de que en la ac ualidad, pa a la dis ibución eléc ica de los eVTOL, las a qui ec u as híb idas o u boeléc icas son una buena opción al compensa las limi aciones de las ba e ías usando o o medio de gene ación de ene gía. En el e ce capí ulo ya se comienza con el diseño del ci cui o obje o del abajo. T as e en el capí ulo an e io que en la ac ualidad las a qui ec u as híb idas de ba e ía más o o ipo de uen e son la mejo al e na i a a la dis ibución de los eVTOL, se decide basa el ci cui o en una a qui ec u a híb ida de una ba e ía y una pila de combus ible polimé ica, con oda la dis ibución en con inua pa a un eVTOL mul i o o con bajo ango de uelo. Se de inie on ambién los con e ido es necesa ios pa a implemen a la gene ación p opues a, con el in de ala ga la ida ú il de la ba e ía y la pila de combus ible. En el caso de la ba e ía, al da nos una ensión cons an e, se implemen an con e ido es educ o es Buck, mien as que 37 38 Capí ulo 5. Conclusiones en el caso de la pila de combus ible, debido a su mecanismo de gene ación de ene gía, se op a po la implemen ación de con e ido es con aislamien o gal ánico, Dual Ac i e B idge. En el siguien e capí ulo, se ealizan los cálculos y conside aciones pa a el diseño y simu- lación del sis ema de dis ibución. Median e los con e ido es p esen ados en el capí ulo 3, se consiguen dos líneas de co ien e con inua, una a 270VDC pa a la p opulsión y o a a 28VDC pa a la a iónica y el es o de sis emas. Po úl imo, se simula un pe il de uelo median e un ajus e de la ca ga pe enecien e a cada ase de uelo, a pa i del g ado de hib idación de inido pa a cada e apa. Con el in de hace el modelo más e icien e y du ade o, se incluye un des ase en e uen es en el a anque de la misión, pa a e i a que la pila su a picos de po encia que puedan daña sus componen es. Finalmen e, se ep esen a la po encia o al de cada ase de uelo y el epa o de po encia en e la ba e ía y la pila de combus ible a lo la go de la misión, ob eniendo un pe il de uelo simila al ob enido en o os es udios ealizados. 6 Líneas u u as del es udio En es e apa ado, se analizan posibles mejo as y ex ensiones del abajo ealizado, con el obje i o de a anza hacia un diseño más ealis a y uncional del ci cui o. Realismo en la modelización de los componen es En el desa ollo ac ual, se han idealizado a ios componen es del ci cui o, como las uen es de alimen ación y el ans o mado lineal del con e ido DAB. Una posible mejo a consis e en inco po a modelos más ealis as de es os elemen os. En el caso de las uen es de alimen ación, se pod ía inclui un modelo que con emple la desca ga p og esi a de las mismas a lo la go de una misión ípica, pe mi iendo un es udio más de allado del compo amien o dinámico del sis ema. Es e análisis pod ía p opo ciona in o mación aliosa sob e la e iciencia del ci cui o en escena ios eales y su impac o en la ges ión ene gé ica del eVTOL. Impac o de las condiciones climá icas y las in e e encias El sis ema de dis ibución eléc ica de un eVTOL debe ope a de mane a con iable bajo condiciones climá icas ad e sas, como al as empe a u as, humedad, o cambios b uscos de p esión. Además, debe se inmune a las in e e encias gene adas po o os sis emas a bo do, como los mo o es eléc icos, sis emas de comunicación o ada . Un es udio u u o pod ía cen a se en simula y analiza el endimien o del ci cui o en ales condiciones. Es o inclui ía la inco po ación de uido eléc ico y la simulación de pe u baciones ex e nas pa a ga an iza la es abilidad y con iabilidad del sis ema. Diseño pa a ae ona es de mayo amaño O o aspec o ele an e es la posibilidad de escala el diseño del ci cui o pa a ae ona es de mayo amaño. Es o implica ía es udia si el concep o de un sis ema híb ido basado en ba e ías y pilas de combus ible sigue siendo álido pa a eVTOLs más g andes o con equisi os ene gé icos di e en es. Se ía necesa io analiza la capacidad del con e ido DAB pa a maneja mayo es po encias y de e mina si la a qui ec u a del sis ema pe mi e una adap ación e icien e sin comp ome e el endimien o o la segu idad. Es e análisis pod ía ex ende se ambién a misiones con mayo es du aciones o pe iles de uelo más exigen es. 39 40 Capí ulo 6. Líneas u u as del es udio Desa ollo de algo i mos de con ol a anzados El uso de écnicas a anzadas de con ol pod ía mejo a la e iciencia y es abilidad del ci cui o. Po ejemplo, pod ía explo a se el empleo de con ol p edic i o o algo i mos de in eligencia a i icial pa a op imiza la ope ación del con e ido en iempo eal. Es os en oques pod ían adap a se a las condiciones cambian es de ca ga y a las luc uaciones en las uen es de ene gía, maximizando la e iciencia y p olongando la ida ú il de los componen es. Validación expe imen al Finalmen e, una línea de abajo c ucial se ía la alidación expe imen al del diseño. Es o implica ía cons ui un p o o ipo uncional del ci cui o y some e lo a p uebas bajo con- diciones con oladas. La alidación pe mi i ía iden i ica posibles disc epancias en e el modelo eó ico y el compo amien o eal del sis ema, así como op imiza el diseño an es de su implemen ación en un eVTOL eal. Índice de Figu as 1.1 Ehang 216: VTOL mul icóp e o 2 1.2 Ci yAi bus Nex Gen-eVTOL: VTOL L+C 3 1.3 Ae ona es de empuje di igido 4 1.4 Pe il ípico de una misión de un VTOL [11] 5 2.1 A qui ec u a DC 8 2.2 A qui ec u a con dis ibución secunda ia en AC 8 2.3 A qui ec u a u bo-eléc ica 8 2.4 A qui ec u a híb ida 9 2.5 Compa a i a de ene gía y po encia [4] 9 2.6 E olución del peso con el ango [4] 10 2.7 E olución de la ene gía con el ango [4] 11 2.8 E olución e iciencia ene gé ica con mejo a de la ene gía en las ba e ías 13 3.1 Pila de combus ible PEM [1] 16 3.2 Relación i- de una pila de combus ible [9] 17 3.3 Da os eque idos en Simulink pa a la pila de combus ible 17 3.4 Esquemá ico del con e ido DAB 18 3.5 Esquema de una ba e ía [5] 19 3.6 Con e ido Buck [12] 20 3.7 Especi icaciones del Ehang 184 [6] 21 3.8 Pe il de misión con g ado de hib idación [14] 22 3.9 Exp esion del g ado de hib idación 23 3.10 Ba e ía en Simulink 23 3.11 Esquema de ci cui o 25 3.12 Ci cui o Buck 25 3.13 PWM del con e ido Buck 27 3.14 Ci cui o DAB 28 3.15 T ans o mado linea usado 28 3.16 PWM unipola 29 3.17 Salida del ci cui o 30 3.18 Modelo de dis ibución eléc ica sin ca gas 31 3.19 Ci cui o u ilizado pa a simula el uelo 32 3.20 Esquema u ilizado pa a modela cada ase de uelo 32 41 42 Índice de Figu as 4.1 Pe il de ca ga o al 33 4.2 Pe il de ca gas de la ba e ía y la pila de combus ible 34 Índice de Tablas 3.1 Ca ac e ís icas del Ehang 184 [3] 21 3.2 Po encias de la misión 23 4.1 Po encias de la misión 35 43