Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 10/3/2020. / Ingeniero Civil Mecánico / Las baterías Ión-Litio resultan ser una alternativa muy eficiente para aplicaciones móviles. Sin embargo muchos aspectos de su desempeño y seguridad son fuertemente afectados por la temperatura de operación de las celdas al interior de la batería, entre estos aspectos destacan la vida útil y la eficiencia. Teniendo en cuenta lo anterior, el Centro de Energía (C.E.) de FCFM decidió investigar el comportamiento térmico de los arreglos de celdas Ión-Litio, con miras a la implementación de un software de optimización para el diseño de baterías, para lo cual generó diversos modelos de predicción de temperatura. Como objetivos de este trabajo se tiene la caracterización del comportamiento térmico de una batería, con ventilación forzada, en función de distintas condiciones de operación y de configuración. Asimismo se pretende contrastar los resultados experimentales con las simulaciones en fluidodinámica computacional (CFD) y el modelo paramétrico, ambos generados por el C.E. Junto con lo anterior, también se espera identificar y comparar en importancia los distintos factores que influyen en el aumento de la temperatura de las baterías. Lo anterior se logra por medio del diseño, construcción e implementación de un equipo capaz de medir la temperatura de las celdas para distintas disposiciones de estas, pudiendo variar el caudal de aire que fluye a través de la batería y midiendo la caída de presión. Para la experimentación se cuenta con 2 disposiciones de celdas distintas y se experimenta con 3 caudales distintos por disposición. Asimismo se generan repeticiones de experimentos para asegurar la existencia de resultados similares para condiciones similares. Posterior a la etapa de experimentación se analizan los datos obtenidos y validan o rechazan los modelos propuestos. Como resultados se tiene que el comportamiento térmico que rige el enfriamiento de las celdas no es el predicho por los modelos contrastados, comportamiento tipo decaimiento exponencial, existiendo una diferencia entre el modelo y el experimento de hasta 4 °C. Este enfriamiento sucede de manera más rápida de lo predicho y es regido por una función levemente distinta a la utilizada por los modelos. Asimismo también se tiene que la configuración de las celdas tuvo poca influencia en la velocidad promedio de enfriamiento, sin embargo esta si tuvo gran influencia en la homogeneidad de la temperatura dentro de la batería. En cuanto a los modelos contrastados, el modelo paramétrico mostró una tendencia distinta a la de los resultados obtenidos, lo cual significó su invalidez en la predicción. Por el otro lado, los resultados en las simulaciones de CFD tuvieron un error relativo de hasta un 138% invalidándolos también. Como principal trabajo futuro queda propuesta la creación de un modelo de enfriamiento que prediga con mayor certeza el decaimiento de temperatura de las celdas, para lo cual se propone el modelo fractal. Asimismo se hace necesaria la investigación de la velocidad óptima de ventilación del arreglo.

Ingeniero Civil Mecánico / Una batería ion-Litio es un dispositivo de almacenamiento energético compuesto de celdas eléctricas con sales de Litio, que se agrupan en módulos para conformar una estructura mayor llamada empaquetamiento. Son la mejor alternativa de almacenamiento en autos eléctricos o sistemas de energías renovables, sin embargo su rendimiento y vida útil se ven altamente afectados por las temperaturas de operación. Esto motiva la realización del presente trabajo de título apoyado por el Centro de Energía de la FCFM, en el marco del proyecto EOBLI que busca optimizar el desempeño de baterías ion-Litio a través del diseño óptimo de empaquetamientos. El objetivo de este trabajo es implementar un modelo fluidodinámico computacional (CFD), para determinar los efectos térmicos de la carcasa de un empaquetamiento, sobre el enfriamiento de celdas cilíndricas ion-Litio sometidas a refrigeración forzada con aire. El modelo es la representación 3D de un montaje experimental, del cual se conoce la medición de temperatura de enfriamiento de las celda en el tiempo y que consta de un módulo con carcasa de madera y 5 celdas cilíndricas enfriadas con aire desde 302 [K] hasta 292 [K] luego de 2500[s]. Se utiliza el software ANSYS basado en el cálculo de volúmenes finitos con mallado de geometrías, seleccionando un mallado de 1600000 elementos y un modelo de turbulencia k-e RNG, con un tratamiento de pared Enhanced Wall Treatment para resolución de capa límite. La validación y calibración del modelo se logra satisfactoriamente ajustando la temperatura de enfriamiento de las celdas entregada por el modelo con la curva de temperatura conocida del montaje experimental. La pérdida de carga resultante es de 12 [Pa], la velocidad máxima entre celdas es de 6 [m/s] y el coeficiente convectivo por celda es cercano a los 60 [W/m2K], lo que se verifica con bibliografía para intercambiadores de calor de tubo con flujo cruzado. Para el análisis térmico se varía la materialidad, longitud y temperatura de la carcasa. Se analizan 5 materiales, comparando resultados para el campo de temperaturas, coeficientes convectivos y el flujo de calor en las interfaces batería-aire y carcasa-aire. Se concluye que la materialidad de la carcasa a temperatura, T=292[K], no afecta el enfriamiento de las celdas, pero una carcasa refrigerada a T=275 [K] permite reducir el tiempo de enfriamiento de las celdas hasta en un 40% respecto al caso inicial, aunque esto es un resultado independiente del material de carcasa utilizado, ya que entre usar un conductor térmico o un aislante, la diferencia es solo de 1[min] y un ΔT=1[K], valor que de todos modos podría mitigar envejecimiento después de varios ciclos de carga y descarga. Por último, aumentar la superficie de intercambio carcasa-aire, favorece la disipación térmica y el enfriamiento de las celdas. Basado en los resultados obtenidos, se propone un estudio futuro de carcasas con el uso de materiales conductores y aislantes en forma estratégica para direccionar el flujo de calor. Se recomienda validar lo anterior con el diseño de geometrías orientadas a la refrigeración.

Ingeniero Civil Eléctrico / Los sistemas de almacenamiento de energía son un conjunto de tecnologías que presentan diversas características técnicas, las cuales generan una variedad de aplicaciones que permiten mejorar la operación técnica y económica de los sistemas eléctricos. El potente desarrollo de la electro movilidad e industria tecnológica han impulsado el desarrollo de la tecnología ion-litio. El aumento explosivo de su manufactura, la cual ha disminuido drásticamente sus costos, sumado a las múltiples químicas disponibles y su alta eficiencia la hacen sobresalir con respecto a otras tecnologías electroquímicas. [1] El objetivo general del presente estudio es evaluar la factibilidad técnica y económica de la instalación de un banco de baterías ion-litio asociado a una central fotovoltaica y central eólica que operan actualmente en el Sistema Eléctrico Nacional. En Chile se está trabajando en el reglamento de coordinación y operación de sistemas de almacenamiento (SAE). Es por esto que la operación del SAE se basa en el reglamento preliminar que regirá la coordinación y operación publicado en octubre de 2017. Las simulaciones de la operación del sistema para un horizonte de cinco años se realizarán en la plataforma computacional Chebyshev, desarrollada por el centro de energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Esta plataforma presenta la ventaja de modelar la operación del sistema en tiempo continuo por lo que es posible rescatar las sensibilidades y variaciones que se puedan dar principalmente por las tecnologías de generación con recurso variable como solares y eólicas. Se simuló la operación del sistema eléctrico para tres casos de estudio, el primer caso no considera uso de sistemas de almacenamiento, el segundo caso considera un BESS en modo de arbitraje de energía operado en la misma barra de conexión que la central generadora de interés y el tercer caso simula la operación de la central generadora con capacidad de almacenamiento. Los resultados obtenidos verifican una correcta operación técnica del sistema de almacenamiento pero dan cuenta de la infactibilidad económica del proyecto según los supuestos tomados. Los altos costos de capital de las baterías son los principales factores para que el proyecto no tenga rentabilidad positiva. Es importante tener en cuenta que el explosivo desarrollo de la manufactura de baterías gracias a la industria de vehículos eléctricos proyecta una agresiva disminución de costos para un horizonte cercano. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Acciona Energía Chile

Magíster en Gestión para la Globalización / El objetivo de la presente tesis es presentar un plan de negocios para la implementación de una fábrica de baterías de litio en Chile enfocada en la venta de baterías de litio al mercado latinoamericano y norteamericano. Esto implica definir las especificaciones de la batería que se va a vender en función de futuras necesidades de los clientes, como definir las especificaciones de la fábrica necesaria para realizar la manufactura de la batería. La oportunidad de negocio se presenta ante diversos factores. Por una parte se espera una demanda de baterías de litio de 183 GWh para el 2023 y de 336 GWh para el 2026 a nivel mundial lo que representa más de 5 veces la capacidad actual en menos de 10 años. Esta se ve empujada por la fuerte penetración de vehículos eléctricos. A su vez se estima que en Latinoamérica la demanda generada solo por Vehículos eléctricos será 5GWh el 2023 y crecerá a 12GWh al 2026 y continuará su expansión. Por otra parte, no existen fábricas importantes de baterías de litio en Sudamérica que suplan la demanda futura. Esto abre la oportunidad para que desde Chile se supla la demanda considerando su emplazamiento conectado a pocos días de grandes centros de consumo, su estabilidad económica y política, sus tratados de libre comercio con múltiples economías y su conexión a Asia desde el Pacífico. A su vez posee producción de litio que permite realizar contratos a largo plazo y asegurar el suministro. El mercado objetivo para este proyecto se estima en 16GWh anual al 2026 equivalente a 2.4 billones de dólares. El proyecto considera una inversión de 879.5 millones de dólares que serán invertidos en un periodo de 5 años, partiendo el año 2021 e iniciando su operación el año 2023. Posteriormente continúa la expansión de la fábrica hasta fines del año 2025. La operación del proyecto se considera en un periodo de 23 años. Esta construcción por fase le dará flexibilidad para adecuarse a cambios bruscos de demanda proyectada. El proyecto posee un VAN de $2,2 billones de USD y una TIR del 31%, probando en un primer esfuerzo la viabilidad financiera del proyecto. El análisis de sensibilidad muestra que el proyecto es muy sensible tanto al costo de las materias primas como a la proyección del precio futuro, siendo necesario usar la tecnología más moderna y flexible para adoptar nuevos cambios tecnológicos, como también siendo necesario generar contratos a suministro a largo plazo para eliminar el riesgo del costo de la materia prima. El componente internacional está enfocado por una parte en traer empresas fabricantes de baterías de litio del extranjero a Chile y posteriormente vender baterías en Latinoamérica y Norteamérica. Las principales recomendaciones consideran centrar esfuerzos en generar una agenda política para el fomento a la inversión y al desarrollo del mercado interno considerando metas de penetración de vehículos eléctricos. Logrado esto entonces se puede presentar una oferta atractiva a potenciales inversionistas. A posteriori será necesario entablar relaciones con potenciales proveedores para disminuir los riesgos de suministro. En una siguiente iteración será necesario evaluar la forma óptima de insertarse en la cadena de valor con el fin de minimizar el riesgo de inversionistas y generar dinámicamente la industria.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Las celdas de ion litio son muy utilizadas en la actualidad debido a características como su gran densidad de almacenamiento energético, ligereza y moderada vida útil. Pero esta tecnología tiene la desventaja de poseer una sensibilidad extrema a temperaturas altas, donde un mal manejo térmico implica una disminución en su rendimiento y vida útil, incluso hasta problemas de seguridad para el usuario como fugas térmicas y explosiones. Esta poca tolerancia a temperaturas elevadas ha ocasionado diversas investigaciones que se centran modelos térmicos, sistemas de gestión térmica y empaquetamientos. Dentro de estos estudios no ha habido alguno que profundice la influencia del empaquetamiento modular en el rendimiento térmicos de las celdas. Debido a esto en el presente trabajo se investigó como afecta en el rendimiento térmico al empaquetar modularmente celdas de ion litio INR2650. Para lo que se utilizó un túnel de viento adaptado previamente para el análisis térmico de celdas de ion litio, y se realizó mediciones de la temperatura de las celdas que conformaban el módulo durante el proceso de descarga eléctrica (enfriadas a convección natural) y después de la descarga (enfriamiento por aire forzado). Este fue un estudio paramétrico donde se realizaron 90 experimentaciones con diferentes parámetros, los cuales fueron: El largo del módulo, se estudió largos de 1 a 10 columnas. La rapidez del flujo de enfriamiento (2.7m/s ; 3.0m/s y 3.3m/s) Finalmente la tasa de descarga electrica: 0.25C, 0.5C y 1C. Los resultados obtenidos para el proceso de descarga antes del enfriamiento indican que la celda de mayor temperatura tiende a ubicarse generalmente en el centro del módulo, por lo que es posible a futuro diseñar un sistema de ventilación orientado a mejorar este tipo de distribución térmica. Ademas a tasas de descarga de 0.25C las temperaturas de las celdas se mantiene dentro de indicadores térmicos óptimos independiente del largo del módulo, no así para tasas de descarga mayores. Finalmente los resultados para el proceso de enfriamiento después de la descarga muestran que el coeficiente de transferencia por convección para los tres primeros largos del módulo es el de mayor magnitud y se mantiene estable sin depender de la tasa de descarga o rapidez del flujo de enfriamiento. Para otros largos este coeficiente disminuye rápidamente. Estos resultados muestran que enfriar el empaquetamiento de forma modular puede ser una buena alternativa para mejorar el rendimiento térmico de las celdas.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Los últimos desarrollos en baterías de ión-litio han permitido una verdadera revolución en la industria automotriz. Los vehículos eléctricos representan una porción del mercado que aumenta año a año. Estos vehículos operan bajo condiciones variables, requiriendo de bancos de baterías para hacer frente a las respectivas demandas de torque y potencia. En este trabajo construimos un simulador que, dado el tamaño del banco, determina cuando una recarga (autonomía) o reemplazo del banco (vida útil remanente) son necesarios. Con este fin estudiamos los indicadores de Estado-de-Carga (SOC), y Estado-de-Salud (SOH), usando modelos en espacio de estados discreto. Las predicciones se basan en una caracterización probabilística de los perfiles de uso en un vehículo eléctrico, que a su vez son una función de entradas genéricas, e.g. el mapa de la misión, las características mecánicas del vehículo, perfiles de conducción y configuración del banco de baterías. En nuestro enfoque estocástico, el pronóstico para el SOC y SOH son generados en un esquema basado en filtro de partículas, con medidas de riesgo e intervalos de confianza obtenidos tanto para el fin-de- la-descarga (en cada ciclo) como para el fin-de-vida-útil (reemplazo). Estos esquemas se benefician de la incorporación de metamodelos para la resistencia óh- mica interna y la eficiencia de Coulomb del banco. El primero depende de la demanda de corriente y el SOC, mientras el segundo se basa en la magnitud de la corriente y la profundi- dad de cada descarga. Ambos metamodelos son incluidos dentro del esquema del SOC/SOH, i) efectivamente introduciendo nueva fenomenología en ellos, y ii) proveyendo de una conex- ión entre el SOC/SOH y el cómo cada descarga afecta el estado de salud del banco de baterías como un todo. También presentamos una metodología para experimentos de laboratorio que son capaces de determinar estas cantidades empíricamente en baterías de ión-litio. Consideramos efectos ignorados hasta ahora en este tipo de modelos empíricos, i.e. cómo las condiciones de operación en una descarga conciernen al pronóstico de la vida útil rema- nente, y cómo las dependencias de la impedancia interna afectan la autonomía del vehículo. Un sub-producto de este trabajo es el mejoramiento del rango de opciones, modularidad y velocidad de ejecución de algoritmos. Finalmente, establecemos aquí las bases para trabajo futuro en diseño óptimo de bancos de baterías en función de perfiles de uso particulares.

Doctora en Ingeniería Eléctrica / Little work has been done on Battery Health Management (BHM) for rotary-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) despite the fact that they have become increasingly popular. They are highly maneuverable and enable both safe and low-cost experimentation in mapping, navigation, and testing of control algorithms in three dimensions. Also, they can perform maneuvers that cannot be achieved by their fixed-wing counterparts (e.g., hover in place, and take off and land vertically (VTOL)). However, small-size aircraft typically have weight, size and cost constraints. Thus, as small-size UAVs become more prevalent, the need for computationally efficient software will increase. This thesis proposes a holistic framework for the design, implementation and experimental validation of Battery Health Management (BHM) systems in small-size rotatory-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) that allows to accurately (i) estimate the State of Charge (SOC), and (ii) predict the End of Discharge (EOD) time of lithium-polymer batteries in small-size multirotors by using a model-based prognosis architecture that is efficient and feasible to implement in low-cost hardware. The proposed framework includes a simplified battery model that incorporate the electric load dependence, temperature dependence and SOC dependence by using the concept of Artificial Evolution to estimate some of its parameters, along with a novel Outer Feedback Correction Loop (OFCL) during the estimation stage which adjusts the variance of the process noise to diminish bias in Bayesian state estimation and helps to compensate problems associated with incorrect initial conditions in a non-observable dynamic system. Also, it provides an aerodynamic-based characterization of future power consumption profiles and utilizes a new definition of probability of failure to mitigate the risk. A quadrotor has been used as the validation platform. This thesis is the first research effort towards BHM for small-size rotary-wing UAVs validated beyond numerical simulations, and that addresses the problem from an efficient approach for constrained computing platforms. A proper prognosis of the EOD time is not only necessary to verify if the mission goal(s) can be accomplished but also essential to aid in online decision-making activities such as fault mitigation and mission replanning. Therefore, the results of this work will allow making decisions about the flight and having enough confidence in those decisions so that the mission objectives can be optimally achieved. Given that: (i) the flight times in battery-powered UAVs are indeed short, (ii) most flight plans are highly conservatives due to they suffer from uncertainties in estimating the remaining charge, (iii) applications in urban zones are limited due to the risk associated with accidental battery run-down during the flight, and (iv) UAVs are ideally suited for long endurance applications; it hopes the results of this research become a significant contribution to the battery-powered rotary-wing UAVs field. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por CONICYT bajo la beca CONICYT-PCHA/Doctorado Nacional /2014-63140178