Implementación de una nueva estrategia de control de transferencia de energía en un sistema de tres puertos con incorporación de una celda de combustible

Abstract

Este trabajo presenta una extensión del existente "Dynamic Energy Router" (DER) de dos puertos, aplicándolo a un sistema de tres puertos en el contexto de un vehículo eléctrico que integra una celda de combustible de hidrógeno y un supercapacitor. La estrategia de control implementada incluye la linearización por retroalimentación (FL) y el control predictivo basado en modelo (MPC), ambos diseñados para gestionar las dinámicas no lineales del sistema y la distribución eficiente de la energía entre los distintos puertos. Para facilitar las pruebas, tanto las simulaciones como los experimentos se realizan utilizando una batería para emular la celda de combustible de hidrógeno, limitando su operación para replicar las dinámicas de la celda real. El control MPC se valida exclusivamente mediante simulación, mientras que el control FL se implementa en dos etapas: primero, se simula bajo el mismo perfil de carga utilizado en el MPC para comparar ambos controladores; luego, se simula y experimenta un perfil adicional adaptado a las restricciones del sistema experimental. Este método aborda los desafíos relacionados con la disminución de energía en el DER al permitir que un solo puerto controle la tensión del enlace DC mientras participa activamente en la gestión de energía definida por el DER. Las simulaciones se realizaron en MATLAB/Simulink y se llevaron a cabo experimentos para probar el DER bajo diferentes variaciones de carga. Los resultados demuestran que el DER de tres puertos propuesto gestiona exitosamente la energía de manera dinámica en los distintos puertos del sistema, manteniendo al mismo tiempo la tensión del enlace DC constante y compensando así las pérdidas de energía.

This work presents an extension of the existing two-port "Dynamic Energy Router" (DER), applying it to a three-port system in the context of an electric vehicle integrating a hydrogen fuel cell and a supercapacitor. The implemented control strategies include Feedback Linearization (FL) and Model Predictive Control (MPC), both designed to manage the nonlinear dynamics of the system and efficiently distribute energy among the multi-ports. For testing purposes, both simulations and experiments are conducted using a battery to emulate the hydrogen fuel cell, with its operation restricted to replicate the real cell’s dynamics. The MPC control is validated exclusively through simulation, while the FL control is implemented in two stages: first, it is simulated under the same load profile used for the MPC to compare both controllers; then, an additional profile is simulated and experimentally tested, tailored to the constraints of the experimental setup. This approach addresses the challenges of energy decay in the DER by allowing a single port to regulate the DC link voltage while actively participating in the energy management defined by the DER. Simulations were performed in MATLAB/Simulink, and experiments were carried out to test the DER under various load variations. The results demonstrate that the proposed three-port DER dynamically manages energy across the system’s ports, maintaining the DC link voltage constant while compensating for energy losses.