Proyectos

Esta Propuesta de Instalación se da en el contexto de una Universidad nueva que se encuentra en pleno periodo de conformación de su planta académica; el Dr. Diego Muñoz Carpintero será el primer experto en el área de control automático del Instituto de Ciencias de la Ingeniería y la Universidad, complementado de este modo la planta docente y de investigación en Ingeniería Eléctrica. La Universidad y el Instituto de Ciencias de la Ingeniería consideran como aspectos centrales de su misión una vocación de excelencia académica y profesional, y de responsabilidad social con un sentido de pertenencia regional. Respecto del último punto, es prioritaria la investigación relevante para las actividades principales de la región, minera y agroindustrial, y en temáticas de relevancia local y global, como energía, sustentabilidad, y en ciencias físicas y matemáticas. La selección del investigador para este concurso cumple todos los criterios de excelencia en investigación, docencia, y de relevancia de su investigación en un contexto regional y global. La propuesta de investigación se centra en temas de electro-movilidad y eficiencia energética. En particular, abordará problemáticas relacionadas con vehículos eléctricos (EVs): ruteo de flotas de EVs para maximización de vida útil de las baterías, control tolerante a fallas de EVs, diseño de estrategias de control de servicios auxiliares brindadas por estaciones de carga de EVs, y el diseño y análisis de estrategias de control y optimización para estos problemas. La investigación en estos temas posee relevancia local por su impacto en sustentabilidad y utilidad para las principales actividades económicas de la región (minería y agroindustrial), y también poseen relevancia global por enmarcarse en las tendencias globales de conversión al uso de energías limpias y eficientes. Finalmente, existen sinergias entre este proyecto de investigación y el perfil del Dr. Muñoz, con otros proyectos y el perfil de otros académicos del Instituto.

Este proyecto busca desarrollar un sistema de control de ruta que optimice costos de operación, minimizando el impacto económico de la degradación de baterías de ion-litio en una flota de vehículos eléctricos.

Esta investigación busca diseñar estrategias de Control Predictivo Robusto y Control Predictivo Estocástico que reduzcan la distancia entre la teoría y la práctica, en particular habilitando el uso de parametrizaciones complejas en los problemas de control óptimo, mediante una reducción en la carga computacional, y eliminando el conservatismo en la imposición de restricciones probabilísticas, para así mejorar el desempeño de los sistemas de control en sistemas reales, tales como sistemas de climatización, micro-redes y ruteo de vehículos eléctricos

En los últimos años, la electromovilidad a nivel mundial ha tenido un aumento significativo, el que ha sido motivado por la necesidad mundial de disminuir la dependencia de combustibles fósiles, para ir hacia una matriz energética basada en fuentes de energías más limpias, menos contaminantes y amigables con el medio ambiente. En recientes años ha habido un aumento significativo de vehículos híbridos y totalmente eléctricos transitando en las calles del mundo. Por ejemplo, el año 2021 hubieron cerca de 16.5 millones de este tipo de vehículos y se espera un aumento exponencial en los años siguientes. Chile no está ajeno a esta tendencia, teniéndose que la venta de modelos eléctricos en 2011 hasta agosto de 2022 ha sido de 1.522 vehículos 100% eléctricos (EV), a los que se suman 607 modelos híbridos Plug-In (PHEV), conformando un parque total de 2.129. Además, se espera que al 2030 el parque de vehículos eléctricos alcance las 80.000 unidades circulando. Al analizar un vehículo eléctrico, se tiene que, de manera general, sus componentes son bastantes similares a los presentes en vehículos de combustión interna. La diferencia principal radica en que los vehículos totalmente eléctricos o híbridos tienen incorporado un banco de baterías, el que se compone de cientos de celdas de baterías de ion litio interconectadas entre sí. En este sentido, la energía almacenada por un banco de baterías se caracteriza por su capacidad nominal. Notar que la capacidad de una batería va disminuyendo con su uso, por lo cual, es un indicador del nivel de degradación de la misma. Una práctica común en electromovilidad es reemplazar el banco de baterías cuando éste ha alcanzado ha alcanzado un 80% de su capacidad nominal. Notar que, en este contexto, si bien el banco de baterías descartado no puede ser utilizado en aplicaciones de electromovilidad, si puede ser utilizado en otras aplicaciones menos demandantes como almacenamiento estático de energía. Tomando en cuenta el auge de la electromovilidad en el mundo y que un banco de baterías de un vehículo eléctrico típicamente tiene una vida útil de 10 años, se tendrá en el corto plazo, a nivel mundial, un gran número de bancos de baterías desechados de aplicaciones de electromovilidad. En este escenario, en este proyecto, se detecta el problema de qué hacer con la gran cantidad de baterías desechadas que habrá a nivel mundial en pocos años. Notar que este tipo de baterías no pueden ser desechadas en vertederos de basura ya que contienen materiales peligrosos tanto para los seres humanos como para el medio ambiente. Además, no pueden ser almacenadas en los domicilios particulares de los dueños de los vehículos, ya que, si son manipulados incorrectamente, pueden explotar, generando fuego y gases nocivos. En base a esto, la oportunidad que se aborda con este proyecto es de valorizar este residuo (baterías desechadas) en un producto de valor para el mercado y la sociedad y que pueda ser utilizado como almacenamiento de energía en otras aplicaciones. En particular, proponemos una topología de electrónica de potencia capaz de integrar baterías de distintos tipos (voltaje nominal, capacidad, química, etc.) y mediante técnicas de control avanzadas, hacer funcionar el dispositivo como una sola entidad desde el punto de vista de la aplicación y/o usuario final y al mismo tiempo, gestionar internamente los estados (estado de carga, nivel de degradación, etc.) de todas las baterías integradas por la topología (para optimizar el funcionamiento y autonomía del dispositivo).

Es un hecho aceptado en la comunidad científica que la emisión de CO2 es de los grandes responsables del calentamiento global. Por ello, ha habido muchas iniciativas para lograr la reducción de estas emisiones. Chile en particular, ha suscrito el compromiso de Carbono Neutralidad al 2050 y en ese contexto ha redactado una Estrategia Nacional de Electromovilidad para dar una hoja de ruta para estimular su adopción. Se espera que la transición hacia la electromovilidad y el fomento a la eficiencia energética en transporte contribuirá con cerca del 20% de las reducciones de emisiones de CO2 necesarias para lograr dicho compromiso. Dado este contexto, esta propuesta abordará diversos aspectos relacionados con la electromovilidad, con foco en la región de O’higgins, donde la adopción ha sido más lenta de lo esperado, contando por ejemplo con reducida infraestructura de carga y venta de vehículos eléctricos. Se destaca además que previo a la inauguración de la Universidad de O’Higgins, no había una institución que formara capital avanzado en estas temáticas. Por lo anterior, en este proyecto, se pondrá especial atención al modelamiento de baterías y/o flotas de vehículos eléctricos (VEs), de gestión y métodos toma de decisiones en aplicaciones como gestión de flotas, interconexión de VEs en la red y asignación de precios, y desarrollo de métodos de control para motores eléctricos, conversores, baterías y otros para electromovilidad. El proyecto instalará y desarrollará en la Región de O’Higgins capacidades humanas avanzadas y fortalecerá la cooperación nacional e internacional en temáticas relacionadas con la electromovilidad. Se realizará difusión y divulgación hacia la comunidad tanto en la Universidad de O’Higgins (UOH) como en las instituciones asociadas, considerando actividades presenciales y online: Las actividades online se dejarán abiertas al público en youtube. Esta propuesta contempla la ejecución de 3 modalidades de vinculación. En la primera modalidad (A) se realizarán 3 viajes por parte de estudiantes de pre y posgrado y académicos a las instituciones extranjeras participantes del proyecto para capacitarse/especializarse en modelamiento, gestión y control para electromovilidad. En la segunda modalidad (B) se realizarán cátedras y talleres online, para cursos de pre y posgrado en la Universidad de O’Higgins y abiertos a todas las instituciones participantes del proyecto. En la tercera modalidad (C) se realizarán 2 encuentros nacionales donde se realizarán seminarios y talleres presenciales y reuniones de investigación, donde están invitados alumnos de pre y posgrado de las instituciones participantes, y se realizará el Encuentro de Electromovilidad de O’Higgins 2024, donde se invitará 3 participantes extranjeros e investigadores nacionales participantes del proyecto, para difundir a la comunidad los avances en el área de la electromovilidad y estimular su adopción. Con este mismo propósito, se adquirirá e instalará en la UOH 2 puntos de recarga de vehículos eléctricos. Notar que actualmente la UOH tiene en su campus rancagua un cargador de bicicletas eléctrico del tipo solar-eólico para uso del estudiantado y la comunidad en general Finalmente, se buscará presentar las principales conclusiones y/o resultados de este proyecto en conferencias científicas o revistas nacionales y/o internacionales. Con las acciones propuestas se busca fortalecer la colaboración internacional, empoderar a las comunidades y promover el uso de nuevas tecnologías de cero emisiones en medios de transporte en la región y el país, al mismo tiempo que se reduce la generación de gases de efecto invernadero, contribuyendo a lograr una sociedad energéticamente sustentable.

Proyecto internacional de colaboración que se enfoca en el análisis de estabilidad y diseño de sistemas de control y estimación para sistemas híbridos que operan en redes de industria 4.0. El objetivo es desarrollar métodos y algritmos que puedan lidiar con desafíos como detección de fallas, monitoreo, efectos de muestreo, cuantización, limitaciones de ancho de banda y magnitud de señales, presencia de incertezas, retardos, no linealidades y pérdidas de paquetes. Para obtener soluciones no conservativas, se considera el uso de herramientas de programación semidefinida.

Implementación de una microrred de energías renovables (solar, eólica y geotérmica) en el distrito salinero artesanal Barranca-La Villa de Cáhuil. Implementación de una planta piloto geotérmica de producción de sal y electrificación de bombas y planta de yodación comunitaria mediante energías renovables no convencionales.

Resumen

Work on the open problem of proving existence of minimizers in nonlinear elasticity in the paradigmatic neoHookean model. Finite element simulations, modelling, and experiments for swelling of polymer gels bonded to rigid substrates. Finite element simulations, modelling, and asymptotic analysis for Schallamach waves in the detachment of thin hydrogels. Proof that the transition, in elastomers and ductile materials, from multiple independent spherical cavitation to the coalescence stage occurs when the size, in the deformed configuration, of the opened cavities is comparable to the distance, in the reference configuration, between the cavitation singularities.

One goal is to enhance the methods being currently developed by Espı́ndola (Physics), Krause (Physiology), and Xavier (Biomedical Engineering) for reconstructing capillary networks with ultrasound. The super-resolution is needed for early detection diseases such as cognitive decline, cancer, or liver fibrosis. They perfuse lipid-encapsulated microbubbles as contrast agents and then localize the bubbles in the ultrasound images with the singular value filter. However, that method leaves a non-negligible percentage of bubbles undetected. Here we propose to complement the singular value filter for the detection and tracking of microbubbles with the sophisticated and mathematically sound Mumford-Shah method for image contour detection, which stems from the conceptually-insightful and numerically-robust perspective of the minimization of energies. In the reconstruction of the capillary network from ultrasound, it is impossible to directly distinguish the microbubbles, or even the blood vessels, in each frame separately, due to the attentuation and degradation in this imaging technique. It is essential to take into account the dynamic nature of the problem, distinguishing the slowly-varying signals emitted by the tissue from those emitted by the microbubbles, which flow rapidly, behave nonlinearly, and have a much shorter coherence length. We therefore propose to regard the collection of two-dimensional frames as a single three-dimensional image, where a moving bubble becomes a tubular neighbourhood of a filament, which the Mumford-Shah model is expected to recover. From these filaments, bubbles can be detected and tracked, and the vertical inclinations of theses filaments will yield the microbubbles velocities. From the velocity profiles it is possible to estimate the shear wall stresses (their ‘tangential elastic rigidities’) of the blood vessels, and anomalies in these stresses are commonly good indicators of the presence of specific diseases. A fortunate encounter between mathematics and mechanics led to the observation that the problem of finding the path that the propagation of a crack will follow inside a structure upon loading could be solved with the mathematical theory (the analysis of free-discontinuity problems) developed for the apparently unrelated image segmentation Mumford-Shah model. The variational fracture theory initiated by Francfort and Marigo is by now (20 years after) very well established. The second goal of this proposal is to further develop the ongoing collaboration between Song (Pharmaceutics), Siegel (Pharmaceutics), Sánchez (Numerical analysis), Calderer (Applied mathematics), and the PI on the study of the debonding of polymer gels from rigid substrates (relevant in the design of the synthetic polymers coating the metallic parts of pacemakers and other medical prostheses) from this variational fracture theory perspective. The third main goal is to apply the mathematical analysis of free-discontinuity problems to the modelling of the evolution of the cavity in the block caving technique in underground rock mining. This has been pursued by Ortega, Lecaros, and coworkers from the side of applied mathematics in academia, in collaboration with Gaete from the Geomechanics Research Department at El Teniente, research group to which Gutiérrez and the PI have joined in the last months. We propose to study the seismic activity induced by the fracture of the rock mass due to gravity, following the works in the last decade within the variational fracture theory that incorporate the inertia effects. The final aim is to optimize the injection of water jets for the aminoration of the seismic events near the operation sites. The three research lines are applications of the phase-field regularization by Ambrosio and Tortorelli of the Mumford-Shah free-discontinuity model, a different variant being required in each of the three contexts. The first stage of the implementation is of mathematical modelling and high-level numerical simulation abilities, in which the intuition and first-hand knowledge from the members of the research team that are experts in vascular function, ultrasound imaging, polymer chemistry, and mining geomechanics is translated into particular mathematical concepts and concrete computational methods. This is followed by a stage of calibration and validation, where the full interplay with experiments is required. The product of a robust and validated computational method will constitute then an advancement in the capabilities, available resources, and understanding in each of the applied disciplines.