Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica. Ingeniero Civil Eléctrico / En la actualidad, es cada vez más importante el rol que juegan las baterías de ion-litio en el mundo. Desde dispositivos tan pequeños como relojes inteligentes hasta grandes bancos de baterías en autos eléctricos, estos acumuladores de energía son muchas veces indispensables en diversas labores. Por esta razón, es que conocer el estado de carga y el estado de salud de las baterías es de gran relevancia. El objetivo de este trabajo es determinar un indicador del estado de salud de una batería de ion-litio, basado en el análisis de la evolución de la impedancia interna de la batería en el proceso de degradación, y además estudiar una nueva definición del término de la vida útil de una batería de ion-litio, considerando el incremento en la ineficiencia relacionado al efecto joule, por el aumento de la parte real de la impedancia interna en la degradación. La metodología aplicada consiste en un ciclado de una batería de ion-litio con un protocolo de descarga basado en la combinación de ciclos a 1C y 2C. El ciclado es realizado en una cámara de temperatura a 25ºC. Mediciones de espectroscopía de impedancia electroquímica son realizadas cada 20 ciclos, con la batería en reposo y cargada en un 100% del SoC, con el fin de conocer la evolución de la impedancia interna a medida que la batería se degrada. Luego de 770 ciclos, la batería presenta una degradación cercana al 25%, la resistencia interna presenta un incremento de 25% y 60% para mediciones realizadas en un 70% y 30% del SoC nominal de la batería. Además del análisis realizado con PCA y PLSR sobre los parámetros ajustados de un modelo de circuito equivalente y las frecuencias de excitación de las mediciones de impedancia, es posible obtener un modelo lineal basado en 3 parámetros del modelo de circuito equivalente, que estime el SoH, con un coeficiente de determinación de 0.9794. Para el caso de frecuencias de excitación, el modelo basado en las frecuencias 191[Hz] y 256[Hz], se obtiene un coeficiente de 0.8925, mientras que para el modelo basado en las frecuencias 1.89[Hz] y 2.62[Hz], se obtiene un coeficiente de 0.9476. Por otra parte, se tiene que a pesar de que la generación de calor no aumenta de forma considerable en la degradación, la evolución de la proporción de calor generado en el tiempo, sí aumenta de forma notable, debido a que los ciclos presentan una menor duración. Como consecuencia de esto, la batería experimenta un aumento en la temperatura según la ventilación que posea. Se concluye que se pueden obtener indicadores del estado de salud con un buen desempeño, tanto basados en frecuencias, como en un modelo de circuito equivalente. Además se establece la proporción de calor generado en el tiempo, como métrica para la definición del término de la vida útil de una batería de ion-litio.

Ingeniero Civil Industrial / El presente trabajo se desarrolla en un contexto de cambio de paradigma en el mercado energético. La penetración de las energías renovables y la evolución de las redes inteligentes hacen necesaria la modernización de los sistemas eléctricos. En este sentido, el almacenamiento de energía cumple un rol fundamental para entregar servicios que satisfagan las nuevas necesidades de los actores, abriendo paso a una serie de oportunidades de negocio. La estructura tarifaria chilena de suministro eléctrico hace interesante la posibilidad de administrar la curva de consumo de un cliente regulado para disminuir su demanda máxima leída en horas de punta, cargo que representa cerca 30% del total de las cuentas de electricidad. En base a esto, el objetivo de esta memoria es evaluar la rentabilidad económica de implementar un sistema de baterías para la administración de cargos por potencia en el mercado chileno. El proyecto consiste en la utilización de sistemas de almacenamiento mediante baterías que optimizan la curva de consumo de clientes perteneciente al segmento comercial o industrial, a través de la acumulación de energía desde la red durante periodos fuera de punta y la descarga de energía hacia la red durante periodos pertenecientes a las horas de punta , donde el precio de la potencia es mayor. De esta forma, se desarrolla una solución de ingeniería aplicada que optimiza el consumo eléctrico sin generar cambios en el comportamiento del cliente. Para estudiar la rentabilidad económica del proyecto tanto para el cliente como para una empresa dedicada a la comercialización de los sistemas de baterías y la entrega de servicios de optimización de cargos por potencia, se desarrolló una plataforma de cálculo que permite el dimensionamiento del sistema y la optimización de la operación en base a la maximización del valor del proyecto. Por un lado, se analiza un caso de estudios cuyos resultados indican que el proyecto es rentable para el cliente, con un VAN de MM$ 1,8, una TIR de 16% y recuperando la inversión a los 6,83 años. Por otro lado, se realiza una evaluación económica para la empresa comercializadora, la cual financia parte de la inversión de los proyectos y renta en base a los ahorros que genera el sistema. Los resultados para la empresa, sobre un horizonte de evaluación de 5 años y una tasa de descuento de 9,8%, indican un VAN de 103 MM$, una TIR de 15,5% y retorno de la inversión al quinto año. Si bien para la viabilidad económica del proyecto es necesario levantar un alto capital de trabajo de 263 MM$, las proyecciones de mercado, las caídas en los costos de los sistemas de baterías y las iniciativas de distintas instituciones para el desarrollo de estas tecnologías hacen que sea recomendable la ejecución del proyecto. El mercado del almacenamiento de energía aún no alcanza su madurez, especialmente en Sudamérica, y ser uno de los primeros entrantes del mercado puede significar una ventaja competitiva importante, adquiriendo el 𝑘�����𝑛�����𝑜�����𝑤����� ℎ𝑜�����𝑤����� del negocio para aprovechar de mejor forma las oportunidades disponibles y levantando barreras de entrada diferenciadoras que permitan generar un mayor valor para la empresa y para el cliente.

Ingeniero Civil Mecánico / Chile es líder en la producción de litio, materia prima fundamental requerida en la fabricación de baterías de ión-litio. Es por esto que surge la necesidad de explorar aplicaciones con mayor valor agregado para el litio como una forma de mejorar la competitividad de la industria nacional. En este sentido, una alternativa es que en el país se desarrolle o diseñe tecnología que pueda ser de utilidad para los fabricantes y diseñadores de baterías y/o sistemas de almacenamiento energético (por ejemplo, los vehículos eléctricos). Para desarrollar tecnología basadas en la utilización de baterías de ión-litio se debe cumplir con un conjunto de restricciones técnicas, dentro de las cuales se encuentra el manejo térmico de los bancos de batería. Esto, ya que a bajas temperaturas el rendimiento de las baterías disminuye, mientras que las altas temperaturas reducen su ciclo de vida. En este Trabajo de Título se estudia y analiza el comportamiento térmico de baterías compuestas por celdas de ión-litio. La finalidad del estudio recae en determinar los factores que influyen en el aumento de temperatura y la disminución de la eficiencia en un banco de baterías. Estas propiedades dependerán básicamente de las variables eléctricas y geométricas que caracterizan el diseño de un banco. Por lo tanto, determinar la mejor configuración para el empaquetamiento de las celdas de ión-litio, desde el punto de vista del ámbito térmico, requiere de mucho estudio. Para el análisis, se desarrolla un modelo paramétrico aplicando conocimientos de transferencia de calor, específicamente un modelo basado en el método de resistencias térmicas y de diferencias finitas. Para la validación del modelo desarrollado se emplea un programa de mecánica de fluidos computacional (ANSYS [14]), con el cual se comparan los resultados obtenidos, donde se obtienen resultados con un error máximo de 10% correspondiente a tres grados de temperatura. El modelo es utilizado para realizar un estudio al comportamiento de las celdas frente a una aplicación de potencia variable, como lo es un vehículo eléctrico. Finalmente se obtienen resultados para distintas condiciones de operación del vehículo, los cuales determinan que el objetivo más importante es la disminución de la potencia eléctrica del sistema de refrigeración (ésta influye en la disminución de la eficiencia del sistema y en el aumento de temperatura del banco de baterías) y la disminución del área ocupada por las celdas dentro del banco. Los factores que más influyen en el comportamiento térmico de las baterías son finalmente el espaciado entre celdas, la disposición de filas y columnas de las celdas y el caudal de entrada del fluido de refrigeración, aparte de las variables eléctricas propias de las celdas de ión-litio. La memoria se lleva a cabo en el contexto del proyecto Innova-CORFO 11IDL1-10466 "Empaquetamiento Óptimo de Baterías de Litio".

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Ingeniero Civil Eléctrico / El problema de aseguramiento de la autonomía de equipos energizados con baterías es de creciente importancia en la sociedad actual, en la que cada vez más dispositivos y vehículos de diversas clases obtienen de ellas la energía necesaria para su funcionamiento. Por ello resulta imperante conocer el estado de carga y predecir cuándo la batería se descargará, con la mayor precisión y exactitud posible. El objetivo de este trabajo, enmarcado en el proyecto de investigación FONDECYT Regular 1140774, es estudiar, implementar y comparar técnicas de estimación de estado basadas en filtro de partículas y filtro de Kalman unscented, aplicadas al problema de pronóstico del tiempo de descarga de una celda de ion-litio. Para ello se utiliza como base un esquema de filtro de partículas, consistente en módulos tanto estimación, como de pronóstico, y el cual fue programado con anterioridad en el contexto del mismo proyecto. En dicho esquema, se modifica el módulo encargado de la etapa de estimación del estado-de-carga de la batería, incluyendo un diseño de lógica de ajuste de híper-parámetros del ruido del modelo, llamada en forma genérica lazo de corrección externo. Paralelamente, se implementa un filtro de Kalman unscented como alternativa para la reemplazar al filtro de partículas en la misma etapa mencionada. Por último, también a éste se le agrega la mecánica de corrección con lazos externos. Para los métodos sin lazos externos de corrección, el basado en filtro de partículas logra corregir la condición inicial erróneamente supuesta sobre el estado de carga de la celda, aproximándose al estado real con una discrepancia que en general no supera el 4%. Una excepción a lo anterior se produce cuando la diferencia inicial entre el estado supuesto y el real es demasiado grande, en cuyo caso se produce un sesgo en la estimación. Por otro lado, el filtro unscented corrige rápidamente el supuesto inicial erróneo, pero su cómputo del estado se aleja del real cuando se obtienen mediciones poco congruentes con las predicciones generadas por el modelo, alcanzando un error de hasta 8%. La adición de los lazos externos de corrección mejora levemente el desempeño en cuanto al error de estimación del filtro de partículas, pero tiene un notorio impacto positivo en la consistencia de los resultados entre distintas realizaciones del algoritmo. Para el filtro de Kalman unscented, la mejora es significativa y su desempeño se torna superior a todos los demás casos, siempre que el lazo de corrección sea capaz de reducir lo suficiente el ruido de proceso. En cuanto al tiempo de ejecución se obtienen resultados comparables para los distintos esquemas. Se concluye que el filtro de partículas permite trabajar el problema con una mayor tolerancia a la incertidumbre, mientras que si se cuenta con un modelo de batería adecuado, el filtro de Kalman unscented con lazo de corrección externo puede lograr un mejor rendimiento.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / Ingeniera Civil Química / La necesidad de reducir el uso de combustibles fósiles en los sistemas de transporte - que producen aproximadamente el 23% del CO2 emitido a nivel mundial - ha impulsado la investigación y el desarrollo de vehículos eléctricos e híbridos con nulas o bajas emisiones de CO2. Una alternativa para energizar estos vehículos es el uso de baterías con ánodos de litio metálico, ya que estos electrodos presentan una alta densidad de energía teórica (3.860 mAh g-1). Sin embargo, el uso de litio metálico como ánodo en baterías recargables se ve restringido por la formación y crecimiento de dendritas en su superficie durante la operación de las baterías, lo que provoca bajas eficiencias de ciclado y, eventualmente, cortocircuitos y problemas de seguridad en estos dispositivos. El presente trabajo de tesis tiene como objetivo general el estudio y caracterización de ánodos de litio metálico, enfocándose en el diseño estructural de éstos, de manera que sus características de ciclabilidad y la morfología de los depósitos formados durante la operación de las baterías mejoren en relación a lo reportado en la literatura. Para ello, se estudiaron experimentalmente a partir de técnicas electroquímicas dos tipos de electrodos dentro de un capilar de vidrio, sumergidos en un electrolito 1 M LiPF6/EC-DMC: uno nivelado con los bordes del capilar (electrodo plano) y otro a 1 mm de profundidad dentro del capilar (electrodo en capilar). Estos electrodos fueron producidos a partir de la electrodeposición de litio sobre la sección transversal de un alambre de cobre de 0,32 mm de diámetro. Se observó que las diferencias entre ambos diseños influyeron en la distribución de corriente del sistema. En primer lugar, se caracterizó la nucleación de litio metálico sobre cobre. La deposición de litio ocurrió mediante un proceso de nucleación instantánea, con crecimiento de núcleos controlado por transferencia de carga para potenciales aplicados entre -75 y -200 mV vs Li+/Li0. Luego, se estudió la distribución de corriente secundaria sobre un electrodo dentro de un capilar (variando la razón entre su profundidad δ_c y radio r_c), debido a que los efectos cinéticos son relevantes en este sistema experimental por lo observado en la nucleación. La corriente se homogeniza a partir de δ_c/r_c =0,4. Para esta razón, la densidad de corriente en el centro del electrodo es un 99,3% del promedio, mientras que para δ_c=0 (electrodo plano) es de un 90,4%. El electrodo en capilar de los experimentos cumple δ_c/r_c =6,25, por lo que la distribución de corriente secundaria es uniforme sobre él. Posteriormente, se estudió la eficiencia de ciclado en función del número de ciclos para los electrodos, para potenciales catódicos aplicados entre -100 y -400 mV vs Li+/Li0 en cada ciclo. Se obtuvo que la eficiencia de ciclado fue más alta para un electrodo en capilar (60-90%, generalmente) que para uno plano (10-60%, generalmente). Además, se observó mediante micrografías SEM la morfología de depósitos de litio en experimentos potenciostáticos, obteniendo que éstos fueron más homogéneos, con menor presencia de dendritas y mayor recubrimiento sobre un electrodo en capilar. La distribución de corriente más uniforme en este caso promueve una deposición más homogénea, con una capa SEI estructuralmente más estable y, por lo tanto, con menor presencia de dendritas. Esta mayor uniformidad en los depósitos mejora la ciclabilidad por la disminución de la presencia de dendritas, las que pueden aislar parte del material activo durante el ciclado. En conclusión, a partir de los resultados de distribución de corriente, ciclabilidad y morfología, se recomienda emplear y evaluar ánodos diseñados con una razón δ_c/r_c ≥0,4 para su futuro uso en baterías recargables de litio metálico.

Ingeniero Civil Mecánico / Las baterías de litio, ampliamente ocupadas en distintos equipos electrónicos y automóviles eléctricos, se deben diseñar incluyendo el manejo térmico en sus empaques. Debido a que bajas temperaturas disminuyen el rendimiento de éstas, y una altas temperaturas disminuyen su ciclo de vida. En este trabajo se analizó la dependencia de las variables de empaquetamiento, como por ejemplo la velocidad de entrada del flujo de aire de refrigeración, el espaciamiento horizontal y el espacia miento vertical, a través de números adimensionales con el fin de encontrar una parametrización de los fenómenos de transferencia de calor que se producen en un empaquetamiento de baterías de litio. Así mismo, se encontró una relación inversamente proporcional de las variables escritas con la inercia térmica de un empaque, es decir, a mayor espaciamiento o velocidad de entrada, las celdas se enfriarán con mayor rapidez. Esta relación deja de ser válida cuando las celdas están lo suficientemente alejadas para que la interacción aire-celda no se produzca, y con ello, jets de velocidad que son aprovechados para enfriar las celdas. En síntesis, debido al gran costo computacional que implica realizar una simulación fluido dinámica, se llevó a cabo una modelación matemática. La cual lleva a una buena aproximación de los fenómenos que ocurren en el enfriamiento de celdas con mayor rapidez que una simulación.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / El presente documento muestra los resultados de las simulaciones de un emulador de descarga para baterías Litio-ion. La batería real (celda) estudiada es de 3,7V-4A.h. El emulador está conformado principalmente por: un modelo de batería en su configuración en línea y un conversor de voltaje boost tipo multifases. Existen diversidad de modelos de batería pero en el presente trabajo se utiliza el Thevenin-Shepherd el cual consta de un circuito eléctrico basado en Thevenin en conjunto con la ecuación modificada de voltaje de circuito abierto de Shepherd. Este tipo de modelo es adecuado para la representación de baterías reales de Litio-ion. Además, este modelo representa de mejor manera 4 importantes comportamientos de la batería real: la variación del voltaje de circuito abierto, la caída de voltaje a través de la resistencia interna, pérdidas por transferencia de carga y el efecto de capacitancia de doble capa. Estos comportamientos son representados por un circuito equivalente eléctrico (CEE) conformado por dos redes RC en serie con un resistencia. Las técnicas "Espectroscopia de la Impedancia Electroquímica (EIS siglas en ingles)" y "Extracción de Parámetros en el Dominio de Tiempo (EPDT)" son utilizadas para obtener el CEE de la batería real. La obtención adecuada de la resistencia interna de la batería real nos permite tener un modelo de batería con gran precisión. Además, el modelo permite establecer el nivel de SOC para los experimentos. Los valores de resistencias internas así como de los elementos de los CEE obtenidos son mantenidos constantes durante las simulaciones. Cabe indicar que, las pruebas experimentales fueron realizadas a temperatura constante, además las pérdidas de voltaje ocasionadas por fenómenos de difusión y en alta frecuencia no son analizadas en el presente trabajo. El software PLECS es utilizado para la realización de las simulaciones. El emulador con cada uno de estos CEE es evaluado comparando los resultados de sus simulaciones con varios perfiles de voltaje de descarga real. Estos perfiles son obtenidos de la aplicación de pulsos de corriente de descarga a una batería real en el respectivo banco de prueba. Cabe indicar que, para la reducción del nivel de rizado del voltaje de salida del emulador se utiliza el conversor de voltaje boost tipo multifases(3 fases). El control del conversor es realizado por controladores PI en conexión en cascada. Además, las ecuaciones del modelo y las funciones de transferencia de los controladores PI son llevados a un modelo discreto. La comparación entre las respuestas de voltaje simuladas y reales muestran que el emulador con un CEE obtenido mediante la técnica EIS tiene una mejor aproximación a los perfiles de voltaje de la batería real incluso cuando hay altas corrientes de descarga. Es importante destacar que, el banco de almacenamiento del vehículo eléctrico "Eolian" de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile está conformado por este tipo de batería.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / El desarrollo en tecnología de mediciones ha permitido el monitoreo continuo de sistemas complejos a través de múltiples sensores, generando así grandes bases de datos. Estos datos normalmente son almacenados para ser posteriormente analizados con técnicas tradicionales de Prognostics and Health Management (PHM). Sin embargo, muchas veces, gran parte de esta información es desperdiciada, ya que los métodos tradicionales de PHM requieren de conocimiento experto sobre el sistema para su implementación. Es por esto que, para estimar parámetros relacionados a confiabilidad, los enfoques basados en análisis de datos pueden utilizarse para complementar los métodos de PHM. El objetivo de esta tesis consiste en desarrollar e implementar un marco de trabajo basado en técnicas de Aprendizaje Profundo para la estimación del estado de salud de sistemas y componentes, utilizando datos multisensoriales de monitoreo. Para esto, se definen los siguientes objetivos específicos: Desarrollar una arquitectura capaz de extraer características temporales y espaciales de los datos. Proponer un marco de trabajo para la estimación del estado de salud, y validarlo utilizando dos conjuntos de datos: C-MAPSS turbofan engine, y baterías ion-litio CS2. Finalmente, entregar una estimación de la propagación de la incertidumbre en los pronósticos del estado de salud. Se propone una estructura que integre las ventajas de relación espacial de las Convolutional Neural Networks, junto con el análisis secuencial de las Long-Short Term Memory Recurrent Neural Networks. Utilizando Dropout tanto para la regularización, como también para una aproximación bayesiana para la estimación de incertidumbre de los modelos. De acuerdo con lo anterior, la arquitectura propuesta recibe el nombre CNNBiLSTM. Para los datos de C-MAPSS se entrenan cuatro modelos diferentes, uno para cada subconjunto de datos, con el objetivo de estimar la vida remanente útil. Los modelos arrojan resultados superiores al estado del arte en la raíz del error medio cuadrado (RMSE), mostrando robustez en el proceso de entrenamiento, y baja incertidumbre en sus predicciones. Resultados similares se obtienen para el conjunto de datos CS2, donde el modelo entrenado con todas las celdas de batería logra estimar el estado de carga y el estado de salud con un bajo RMSE y una pequeña incertidumbre sobre su estimación de valores. Los resultados obtenidos por los modelos entrenados muestran que la arquitectura propuesta es adaptable a diferentes sistemas y puede obtener relaciones temporales abstractas de los datos sensoriales para la evaluación de confiabilidad. Además, los modelos muestran robustez durante el proceso de entrenamiento, así como una estimación precisa con baja incertidumbre.

Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería, mención Ingeniería Química y Biotecnología / Las fuentes de energía limpias y sostenibles deben ser consideradas una base importante para el futuro crecimiento y desarrollo económico de cualquier país. Actualmente, el suministro mundial de energía depende en gran medida de los combustibles fósiles. Esto conlleva a que tecnologías tales como las celdas foto-electroquímicas se vuelvan especialmente atractivas, ya que permiten usar energía solar para producir hidrógeno. El funcionamiento de las celdas foto-electroquímicas se basa en el uso de semiconductores como electrodos, que al ser irradiados generan pares hueco-electrón, los cuales pueden migrar en la superficie del semiconductor y reaccionar con las especies adsorbidas o recombinarse entre sí. El hueco electrónico generado por la migración de un electrón puede oxidar una molécula de agua para producir oxígeno en el ánodo, mientras que los electrones generados viajan hacia el cátodo para reducir los protones presentes en el agua formando hidrógeno El presente trabajo de tesis tuvo como objetivo general la sintesis (a través de los métodos de electrodeposición y de spin-coating) y caracterización del desempeño de foto-ánodos basados en óxidos de molibdeno para la producción de hidrógeno en una celda foto-electroquímica a partir de electrólisis de agua. Películas de óxido de molibdeno dopadas con niquel y sin dopar se electrodepositaron aplicando un potencial de -1,377 V vs Ag / AgCl (KCl 3 M) durante 3 horas en un vidrio de cuarzo cubierto con dióxido de estaño dopado con flúor - FTO - sumergido en soluciones acuosas de molibdato-citrato a pH 9. Por otra parte, se depositaron peliculas de MoOx, WO3 y MoOx dopado con W sobre vidrio de aluminoborosilicato recubierto con óxido de estaño dopado con flúor. Este proceso se realizó mediante spin-coating a 4000 rpm durante 40 segundos. La caracterización de los foto-ánodos fabricados a través de electrodeposición y spin-coating sugiere que presentan propiedades semiconductoras y catalíticas que los hacen atractivos para su uso en una celda foto-electroquímica para la hidrólisis del agua. Sin embargo, aunque los foto-electrodos sintetizados a través de las técnicas mencionadas tienen un intervalo de banda prohibida óptimo para aprovechar eficientemente la luz solar, la caracterización foto-electroquímica mostró que estos electrodos no exhiben una estabilidad en solución acuosa y que son susceptibles a la foto-corrosion, que son factores limitantes para el uso de semiconductores convencionales como foto-electrodos.