Modelado experimental de un sistema de e-Salud aplicado en cooperación al desarrollo

Los Objetivos de Desarrollo del Milenio comprometieron a los países con una nueva alianza mundial de alcanzar gradualmente una cobertura universal de los niveles mínimos de bienestar en los países en desarrollo (reducir la pobreza y el hambre y dar respuesta a problemas como la mala salud, las desigualdades de género, la falta de educación, el acceso a agua salubre y la degradación ambiental). Para dar continuidad a esta iniciativa, recientemente en septiembre de 2015, la ONU promulgó la declaración de los Objetivos de Desarrollo Sostenible. Los ODM sitúan la salud en el corazón del desarrollo y establecen un novedoso pacto mundial que vincula a los países desarrollados y los países en desarrollo por medio de obligaciones claras y recíprocas. En este sentido, diversos organismos de cooperación a través de sus programas de cooperación internacional, tratan de mejorar el acceso a la asistencia sanitaria, especialmente a la población vulnerable que vive en zonas rurales de países en desarrollo. Con el fin de ayudar a cumplir los ODM que apoyan los temas de salud en dicha población, estos organismos desarrollan proyectos que despliegan sistemas de e-salud. Las intervenciones se enfrentan a múltiples retos: condicionantes de los países en desarrollo, las necesidades y demandas de los sistemas sanitarios y la complejidad de implantar las TIC en entornos complejos y altamente dinámicos como son los países en desarrollo. Estos condicionantes ocasionan la mayoría de proyectos fallidos que terminan convirtiéndose en soluciones aisladas, que anteponen la tecnología a las necesidades de la población y no generan el impacto esperado en su desarrollo. En este contexto tuvo origen esta tesis doctoral, que persigue como objetivo analizar, planificar, diseñar, verificar y validar un marco arquitectónico de implantación de sistemas de e-salud en áreas rurales de países en desarrollo, que promueva el mejoramiento de la calidad de vida de la población vulnerable de estas regiones y la efectividad de las intervenciones de e-salud en el marco de proyectos de cooperación al desarrollo. Para lograrlo, tomé como punto de partida, diversas estrategias, modelos, metodologías de implantación de e-salud, modelos de gestión de proyectos propuestos por distintos organismos internacionales y propuse una instanciación de estos modelos a proyectos de implantación de sistemas de e-salud en países en desarrollo. Apliqué la metodología action research y los enfoques twin track, middle out y design thinking que me permitieron el refinamiento iterativo del modelo propuesto en la tesis doctoral mediante el trabajo de campo realizado en dos zonas rurales de países de Centroamérica: Jocotán (Guatemala) y San José de Cusmapa (Nicaragua). Como resultado obtuve un modelo experimental basado en cuatro componentes: un modelo de referencia tipo, un modelo conceptual de e-salud, los procesos de gestión y de implantación de sistemas de e-salud en países en desarrollo y una arquitectura de referencia. El modelo experimental resultante aporta herramientas importantes para el despliegue de sistemas de e-salud en países en desarrollo. Se ha propuesto un modelo de referencia que proporciona una visión holística del contexto del país en desarrollo donde se desarrollarán las intervenciones. Un modelo conceptual de e-salud que representa los principales conceptos involucrados en un sistema de e-salud. Los procesos ii- de gestión del proyecto y de implantación del sistema que proporcionan a los grupos de cooperación, herramientas para el análisis, diseño, desarrollo y despliegue de los sistemas de e-salud en áreas rurales de países en desarrollo. Y finalmente la arquitectura de referencia que sienta las bases para la aplicación de estos procesos a un contexto en particular. Las líneas futuras de trabajo sugieren extender el modelo a más casos de estudio que permitan su refinamiento y evaluar los futuros usos que pueden surgir de los sistemas de e-salud resultantes. ABSTRACT Millennium Development Goals (MDGs) committing the countries with a new global partnership to achieve universal coverage of minimum levels of well-being in Developing Countries (for addressing extreme poverty in its many dimensions-income poverty, hunger, disease, lack of adequate housing, and exclusion-while promoting gender equality, education, and environmental sustainability). From September 2015, these goals are replaces with Sustainable Development Goals (SDGs). The MDG place health at the heart of development and establish a novel global compact, linking developed and developing countries through clear, reciprocal obligations. Many public and private institutions promote international cooperation programs to support in achieving the MDGs. Some of these cooperation programs deal improving access to healthcare to poor people living in isolated areas from developing countries. In order to accomplish this goal organizations perform projects (interventions or cooperation projects) that deploy e-health systems in these zones. Nevertheless, this kind of projects face multiple challenges that dismiss the effectiveness of the projects results. In particular, cooperation teams face issues such as constraints in developing countries, lack of electrical and ICT infrastructure, scarce transport, extreme climate conditions, lack ICT capacity, lack of access to healthcare and inefficient delivery methods, etc. Hence, these issues increase the complexity of implementing e-health in developing countries and then causes the most projects fail. In other words, the solutions do not meet population needs and do not generate the expected impact on development. This context is the starting point of this doctoral thesis, which deals with analysing, planning, designing, testing and validating an architectural framework in order to implement e-health systems in rural areas from developing countries, promote development of the population in these regions, and thus improve the impact of interventions of development cooperation projects. To achieve this goal, I took as a starting point the strategies, models, e-health implementation methodologies and projects management models proposed by various international agencies. Then I proposed an instantiation of these models to manage the intervention and implement e-health systems in developing countries. I applied the action research methodology and the approaches twin track, middle out and design thinking which allowed me the iterative refinement of the model proposed in this doctoral thesis. The proposed framework was validated by running two cases studies in rural areas of Central America: Jocotán (Guatemala) and San José de Cusmapa (Nicaragua). As a result, I obtained an experimental model based on four components: a Type reference model, an e-health conceptual model, both process management and implementation e-health systems in developing countries and a reference architecture. The resulting experimental model provides important tools for the deployment of e-health systems in developing countries. The model become as reference model that provides a holistic view of the developing countries context where the interventions will be running. The conceptual model of e-health represents the main concepts involved into an e-health system. The project management and implementation processes of the iv- system provide to the cooperation teams with tools for analysing, designing, developing and deploying e-health systems in rural areas from developing countries. Finally, the reference architecture provides the basis for the implementation of these processes into a particular context. The future research suggest the extension the model to other cases studies in order to refine and evaluate the viability the model.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.