La Universidad de Waterloo desarrolla tecnología de pilas de combustible galardonada con diseño basado en modelos
“Sin Simulink, no creo que hubiera habido forma alguna de desarrollar especificaciones ejecutables con el mismo nivel de detalle, ni de utilizar el diseño basado en modelos tan ampliamente”.
El reto
La solución
Los resultados
- Facilidad de comunicación.
- Ahorro sustancial de tiempo de diseño.
- Tecnología innovadora.
Challenge X es una competición patrocinada por General Motors y el Departamento de Energía de Estados Unidos, que desafió a 17 equipos estudiantiles de EE. UU. a rediseñar un Chevrolet Equinox para reducir emisiones y consumo de combustible sin sacrificar el rendimiento o la seguridad del vehículo.
En el primer año de la competición, que dura tres años, el equipo de combustibles alternativos de la Universidad de Waterloo (UWAFT) ganó el primer puesto en la clasificación general con su diseño de vehículo impulsado por pilas de combustible. UWAFT también ganó el premio The MathWorks Crossover to Model-Based Design Award por sus logros en creación, simulación y análisis de modelos para diseño de vehículos y control de subsistemas.
“Fuimos el único equipo que utilizó pilas de combustible en el sistema de propulsión”, señala el profesor Roydon Fraser, asesor docente de UWAFT. “El software de MathWorks para diseño basado en modelos no solo redujo el tiempo de prototipado y simulación del diseño del sistema del vehículo, sino que también nos permitió demostrar la viabilidad de la tecnología de pilas de combustible”.
El reto
El primer año de Challenge X se centró en el diseño de vehículos. Los participantes debían utilizar diseño basado en modelos para completar el diseño y las pruebas del sistema de propulsión en un plazo de 10 meses, y tenían que presentar cinco informes principales.
El equipo de la Universidad de Waterloo buscó un software de diseño que permitiera utilizar diseño basado en modelos en todo el proyecto, desde la captura de requisitos hasta la implementación. El software debía acelerar el desarrollo de la estrategia de control facilitando la reutilización de modelos. También debía ser rápido de aprender, y permitir que los integrantes del equipo compartieran su trabajo fácilmente.
La solución
“Las herramientas de MathWorks nos permitieron simular diversos sistemas de propulsión, desarrollar modelos de planta precisos, probar estrategias de control y validar el diseño general”, explica el capitán de UWAFT, Matthew Stevens.
MathWorks proporcionó formación en MATLAB®, Simulink®, Stateflow® y PSAT, un programa de modelado basado en Simulink. “Tener un producto con una curva de aprendizaje rápida o en el que los estudiantes ya estuvieran formados era fundamental para el éxito del equipo”, comenta Stevens. “Las herramientas de MathWorks pudieron emplearse en múltiples etapas del proceso de diseño, lo que redujo la cantidad de programas de software que los estudiantes tuvieron que aprender a usar”.
UWAFT desarrolló más de 400 simulaciones de PSAT para comparar combustibles, tecnologías y dimensiones del sistema de propulsión. Optimization Toolbox™ y un sofisticado diseño de experimentos permitieron que pudieran comprender la relación entre el tamaño de los componentes y el rendimiento del vehículo, y luego determinar el sistema de propulsión óptimo.
Utilizaron Simulink para desarrollar un modelo de planta del sistema de energía de pila de combustible, que incluía el motor, la batería, la pila de combustible y un convertidor CC/CC.
MATLAB, Simulink, Stateflow y Control System Toolbox™ permitieron desarrollar la estrategia de control híbrido (HCS), que determina la cantidad de energía procedente de la pila de combustible. MATLAB ayudó a encontrar la distribución óptima de energía entre la pila de combustible y la batería durante un ciclo de conducción específico.
El convertidor CC/CC aumenta la tensión de la pila de combustible y controla la energía procedente de la pila de combustible. Simscape Electrical™ se utilizó para modelar el circuito, controlado por un controlador PI. El equipo investigó la respuesta en frecuencia y la estabilidad del circuito sirviéndose de diagramas de Bode, y mapas de polos y ceros en MATLAB. La simulación permitió verificar que el funcionamiento era correcto, determinar la eficiencia del circuito, y calcular los valores y capacidades de inductores y otros componentes.
Puesto que la pila de combustible se enciende y apaga, crea una función discontinua que es difícil de optimizar con métodos tradicionales. Para encontrar el punto de referencia de control óptimo, UWAFT utilizó Global Optimization Toolbox, que no exige que la función sea continua. El equipo utilizó Deep Learning Toolbox™ para modelar la hidratación de las membranas de la pila de combustible.
También se utilizó Embedded Coder® para los controladores satelitales de UWAFT de todo el vehículo a fin de realizar prototipado rápido en el objetivo con un controlador integrado.
Actualmente están probando los componentes del sistema de propulsión, perfeccionando la estrategia de control del vehículo, integrando la avanzada pila de combustible en el vehículo, e investigando posibilidades de reducción del peso.
“Definitivamente tenemos mucho interés en usar otros productos de MathWorks durante la competición y, con suerte, en muchos otros proyectos durante nuestras futuras carreras profesionales”, afirma Stevens.
Los resultados
Facilidad de comunicación El entorno de MATLAB y Simulink aumentó la eficiencia, ya que permitió a los integrantes del equipo intercambiar fácilmente soluciones y consejos, además de enviar modelos y resultados por email para seguir trabajando.
Ahorro sustancial de tiempo de diseño “Concretamente, Simulink permitió a UWAFT utilizar el diseño basado en modelos para comparar cuatro combustibles diferentes, y diseñar un vehículo utilitario deportivo de pila de combustible y una estrategia de control sólidos en menos de 10 meses, incluido el período de formación, lo que supone una hazaña realmente increíble”, señala Stevens. “Sin Simulink, probablemente habríamos agotado los tres años de la competición solo en completar el trabajo necesario para el primer año”.
Tecnología innovadora “Creemos que nuestro producto final será el primer vehículo de pila de combustible diseñado por estudiantes que proporcione un rendimiento comparable con los vehículos actuales, al tiempo que cubre las necesidades de autonomía y eficiencia del futuro”, concluye Stevens.
