BR102013011666A2 - Unidade de contator, método para operar um contator de isolamento e sistema para isolar um primeiro dispositivo de tensão de um segundo dispositivo de tensão - Google Patents

Abstract

Unidade de contator, método para operar um contator de isolamento e sistema para isolar um primeiro dispositivo de tensão de um segundo dispositivo de tensão. Trata-se de uma unidade de contator que inclui um condutor de entrada conectável a um primeiro condutor de um dispositivo de saída de energia, um condutor de saída conectável a um primeiro condutor de um barramento de tensão, um contator que conecta e desconecta o condutor de entrada do condutor de saída, um acionador configurado para operar o contator, um enlace de dados em série conectável a um controlador de sistema que é externo à unidade de contator e um circuito integrado (ic) posicionado dentro da unidade de contator e configurado para emitir um comando de controle para o acionador para abrir o contator com base em pelo menos um dentre uma corrente ou no condutor de entrada ou no condutor de saída e um diferencial de tensão ao longo do contator e emitir um estado de controle de contator por meio do enlace de dados em série.

Description

“UNIDADE DE CONTATOR, MÉTODO PARA OPERAR UM CONTATOR DE ISOLAMENTO E SISTEMA PARA ISOLAR UM PRIMEIRO DISPOSITIVO DE TENSÃO DE UM SEGUNDO DISPOSITIVO DE TENSÃO” Antecedentes Da Invenção As realizações da invenção referem-se geralmente a um sistema de isolamento e retroalimentação para um sistema de armazenamento de energia elétrica que, em uma realização, é aplicável a sistemas de acionamento elétrico que incluem veículos elétricos e híbridos.

Os veículos elétricos híbridos podem combinar um mecanismo motor de combustão interna e um motor elétrico alimentado por um dispositivo de armazenamento de energia, tal como uma bateria de tração para propulsar o veículo. Tal combinação pode aumentar a eficácia de combustível total permitindo que o mecanismo motor de combustão e o motor elétrico, cada um, operem nas respectivas faixas de eficácia aumentada. Os motores elétricos, por exemplo, podem ser eficazes na aceleração a partir de um início fixo, enquanto que os mecanismos motores de combustão interna (ICEs) podem ser eficazes durante períodos prolongados de operação de mecanismo motor constante, tal como na condução de estrada. Ter um motor elétrico para elevar a aceleração inicial permite que os mecanismos motores de combustão em veículos híbridos sejam menores e mais eficazes em termos de combustível.

Um veículo puramente elétrico (EV) usa a energia armazenada para alimentar um motor elétrico, que propulsa o veículo e pode também operar acionadores auxiliares. Os veículos puramente elétricos podem usar uma ou mais fontes de energia elétrica armazenada. Por exemplo, uma primeira fonte de energia elétrica armazenada pode ser usada para fornecer energia mais duradoura (tal como uma bateria de baixa tensão) enquanto que uma segunda fonte de energia elétrica armazenada pode ser usada para fornecer energia de potência mais alta para, por exemplo, a aceleração (tal como uma bateria de alta voltagem ou um ultracapacitor).

Os veículos elétricos de tomada (PHEV), ou do tipo elétrico híbrido ou do tipo puramente elétrico, são configurados para usar a energia elétrica de uma fonte externa para recarregar os dispositivos de armazenamento de energia. Tais veículos podem incluir veículos na estrada e fora da estrada, carrinho golfe, veículos elétricos de vizinhança, empilhadeira e caminhões utilitários como exemplos. Esses veículos podem _ usar ou carregadores de bateria estacionários fora de bordo, carregadores de bateria a bordo ou uma combinação de carregadores de bateria estacionários fora de bordo e carregadores de bateria a bordo para transferir energia elétrica de uma grade de utilidade ou fonte de energia renovável para a bateria de tração a bordo do veículo. Os veículos de tomada podem incluir conjunto de circuito e conexões para facilitar a recarga da bateria de tração da grade de utilidade ou outra fonte externa, por exemplo.

Assim, híbridos e EVs em geral incluem tipicamente pelo menos um e frequentemente diversos dispositivos de armazenamento de tensão alta ou baixa ou outras fontes de potência. Os dispositivos conhecidos incluem, porém sem limitação, uma bateria de potência que opera a 400 V ou maior, uma bateria de energia que opera otimamente a 120 V ou uma unidade de potência auxiliar (APU) que pode incluir um mecanismo motor de combustão interna (ICE), um gerador de ímã permanente (PMG) ou uma célula de combustível (FC). As APUs para o uso em um veículo elétrico podem ter sua própria tensão operacional exclusiva que pode estar a 400 V ou maior também. Por exemplo, a uma condição operacional desejada, um ICE pode emitir uma tensão que é diferente dessa de, por exemplo, uma bateria de potência ou de outras tensões operacionais de dispositivos de tensão alta em um EV. Ou, um PMG pode o próprio operar a uma tensão operacional que é diferente de outros dispositivos dentro de um sistema. Ademais, EVs frequentemente incluem dispositivos de alta tensão que variam de fabricante para fabricante e de um tipo para o outro. Por exemplo, um fabricante pode fabricar um ICE que emite otimamente 400 V enquanto que outro fabricante pode fabricar um ICE que emite 380 V otimamente. Como tal, os componentes e subsistemas podem ser projetados em um híbrido ou em um EV que tem uma variedade ampla de tensões operacionais.

Durante o ciclo de projeto de um híbrido ou um EV, é frequentemente desejável poder trocar diferentes subsistemas de alta tensão a fim de testar o subsistema para a inclusão eventual no projeto final. Isto é, APUs que incluem ICEs, PMGs ou FCs podem ser testadas e trocadas com outros dispositivos qualquer quantidade de vezes antes do assentamento na(s) unidade(s) final(is) a ser(em) usada(s). Similarmente, diferentes baterias de potência de alta tensão e baterias de energia de tensão relativamente baixa podem ser igualmente testadas durante um estágio de projeto e teste prolongado e rigoroso. Conforme é conhecido na técnica, é desejável permitir a conexão e desconexão simples e rápida de tais subsistemas durante o estágio de projeto e teste (isto é, durante o estágio experimental) de um veículo híbrido ou EV. Frequentemente a funcionalidade de conexão/desconexão é fornecida pelo uso de contatores eletros-mecânico que são todos controlados por uma unidade de processamento principal.

Os contatores eletros-mecânico são usados em uma variedade de ambiente para ativar e desativar uma fonte de potência a uma carga eletricamente. Os contatores incluem contatos móveis e contatos fixos. Os contatos móveis são conectados a um eletroímã e são controlados para ativar ou desativar seletivamente a potência da fonte para a carga. Os contatos são tipicamente mantidos em uma posição aberta por meio de uma mola e são induzidos a transladar para uma posição fechada quando a potência à bobina do eletroímã é aplicada.

Os contatores para a operação de alta tensão incluem tipicamente parâmetros de projeto específicos a fim de fornece a capacidade de operação necessária. Em sistemas em que os dispositivos de armazenamento de energia de alta tensão estão sendo usados, os contatores são frequentemente incluídos por propósitos de segurança. É frequentemente desejável por propósitos de segurança monitorar as tensões e correntes a fim de fornece o desligamento rápido e seguro no evento de uma excursão de corrente. A fim de fornecer recursos de segurança nos projetos de híbrido e EV experimentais iniciais é, portanto, frequentemente necessário fornecer hardware de suporte para operar os contatores e monitorar as correntes e tensões particulares a cada dispositivo de tensão. Assim, um conjunto de contatores e hardware de suporte pode ter definições de hardware e controle específicas a uma operação de 400 V de uma bateria de potência, outro conjunto de contatores e hardware de suporte pode ter definições de hardware e controle específicas a uma operação de 120 V de uma bateria de energia e outro conjunto de contatores pode ser específico a uma tensão de uma unidade de potência auxiliar. Subsequentemente, quando é desejado continuar o teste do projeto trocando-se os componentes, a bateria de potência de 400 V pode ser alterada por outra bateria de potência que tem uma tensão operacional diferente ou, talvez, por um tipo de dispositivo de armazenamento de energia diferente de modo geral (tal como, por exemplo, um ultracapacitor).

Como cada dispositivo que é testado pode ter uma tensão operacional e/ou capacidade de desempenho exclusiva, quando os componentes são trocados, os contatores ou suas definições de controle podem provar serem inadequados, assim como o hardware adicional usado para fornecer monitoramento de corrente e tensão. Como tal, cada troca de um componente de hardware pode resultar também em uma necessidade de trocar os contatores, para trocar o monitoramento de corrente e tensão e/ou alterar os parâmetros de controle para a operação de contator.

Ao preparar uma configuração de teste de um híbrido ou um EV, é frequentemente necessário incluir conexões de hardware e capacidade de monitoramento de retroalimentação dos dispositivos específicos sendo testados. Isto é, cada dispositivo (armazenamento, APU, etc....) inclui tipicamente seu próprio sistema de retroalimentação e contatores que são específicos ao dispositivo sendo testado. Assim, sempre que redisposição de componentes, troca de componentes ou adicionamento de novos componentes, contatores adicionais e capacidade de monitoramento de retroalimentação é também incluído a fim de fornecer a funcionalidade necessária específica a cada componente. Gomo essa funcionalidade pode ser tão específica, uma quantidade significante de trabalho adicional é necessária ao carregar os componentes. Isto é, esquemas de controle (corrente total, taxa de alteração de corrente, tensão de contator, etc....) podem alterar com base no tipo do componente que é usado. Como o esquema de controle para testar a unidade é tipicamente implantado em uma unidade de controle principal, alterar os componentes pode resultar em uma necessidade de fazer alterações custosas e demoradas a ambos os esquema de controle de hardware e software.

De fato, mais geralmente, ao testar sistemas experimentais que têm múltiplos dispositivos de abastecimento e armazenamento de energia nos mesmos, tais problemas são também encontrados. Isto é, em geral, quando os sistemas experimentais estão sendo testados a fim de determinar o desempenho de sistema ótimo e quando tais sistemas incluem potencialmente múltiplos tipos diferentes de sistemas de abastecimento e armazenamento de energia, frequentemente o estágio experimental é impedido por causa da necessidade custosa e demorada de monitorar e fornecer retroalimentação dos subsistemas sendo testados. Tais sistemas podem também incluir, porém sem limitação, trens, aeronaves, navios, sistemas de potência eólica, sistemas fotovoltaicos solares, para citar apenas alguns. Assim, o problema não é limitado a veículos híbridos ou EVs, mas inclui qualquer sistema que possa exigir sistemas experimentais complexos que têm múltiplos subsistemas de geração e armazenamento de energia associados aos mesmos.

Seria, portanto, desejável fornecer um contator que é independentemente controlável sem uma necessidade de alterar esquemas de hardware e controle ao trocar os dispositivos em um sistema que tem um ou mais dispositivos que são seletivamente isolados.

Breve Descrição Da Invenção A presente invenção fornece um sistema e método para permitir o isolamento de componentes de armazenamento de energia elétrica e para fornecer retroalimentação em um dispositivo compacto.

Em concordância com um aspecto da invenção, uma unidade de contator inclui um condutor de entrada conectável a um primeiro condutor de um dispositivo de saída de energia, um condutor de saída conectável a um primeiro condutor de um barramento de tensão, um contator que conecta e desconecta o condutor de entrada do condutor de saída, um acionador configurado para operar o contator, um enlace de dados em série conectável a um controlador de sistema que é externo à unidade de contator e um circuito integrado (IC) posicionado dentro da unidade de contator e configurado para emitir um comando de controle para o acionador para abrir o contator com base em pelo menos um dentre uma corrente ou no condutor de entrada ou no condutor de saída e um diferencial de tensão ao longo do contator e emitir um estado de controle de contator por meio do enlace de dados em série.

Em concordância com outro aspecto da invenção, um método para operar um contator de isolamento que compreende fixar um condutor de entrada do contator de isolamento a um primeiro condutor de um dispositivo de saída de energia e um condutor de saída do contator de isolamento a um barramento de tensão, medir uma corrente que passa através de um dentre o condutor de entrada e o condutor de saída, medir uma tensão aojongo de um comutador que é posicionado dentro de um alojamento do, contator de isolamento e acoplado ao condutor de entrada e ao condutor de saída, o comutador configurado para desconectar o condutor de entrada do condutor de saída, conduzir os sinais aue são reoresentativos da corrente medida e a tensão medida para um circuito integrado (IC) que é posicionado dentro do alojamento do contator de isolamento, controlar um acionador com base nos sinais conduzidos para o IC, o acionador configurado para operar o comutador e emitir um estado do comutador para um dispositivo de computação externo ao alojamento por meio de um enlace em série.

Em concordância com ainda outro aspecto da invenção, um sistema para isolar um primeiro dispositivo de tensão de um segundo dispositivo de tensão, o sistema inclui uma unidade de isolamento que tem pelo menos primeiro e segundo condutores externos à mesma e conectáveis aos condutores dos respectivos dispositivos de energia, um comutador posicionado dentro de um alojamento da unidade de isolamento e acoplado aos primeiro e segundo condutores de tal modo que o primeiro e o segundo condutores sejam engatáveis seletivamente por meio do comutador, uma unidade de acionamento posicionada dentro do alojamento e configurada para engatar e desengatar o comutador, um circuito integrado (IC) posicionado dentro do alojamento e configurado para emitir um comando de controle para a unidade de acionamento para abrir o comutador com base em pelo menos um dentre uma corrente ou no primeiro condutor ou no segundo condutor e um diferencial de tensão ao longo do comutador e emitir um estado de controle de sistema por meio de um enlace de dados em série. Vários outros recursos e vantagens da presente invenção se tornarão aparentes a partir da seguinte descrição detalhada e desenhos.

Breve Descrição Dos Desenhos Os desenhos ilustram realizações preferenciais presentemente contempladas para executar a invenção.

Nos desenhos: A Figura 1 ilustra um contator de isolamento de dois polos com controle de retroalimentação de acordo com uma realização da invenção. A Figura 2 ilustra dois contatares de isolamento de polo único, cada um com controle de retroalimentação de acordo com uma realização da invenção. A Figura 3 ilustra um contator de isolamento de polo único, similar a um dos contatores de isolamento de polo único da Figura 2 e ilustra adicionalmente componentes internos do mesmo de acordo com uma realização da invenção. A Figura 4 ilustra um contator de isolamento de dois polos, similar a esse ilustrado na Figura 1 e ilustra adicionalmente componentes internos do mesmo de acordo com uma realização da invenção. A Figura 5 ilustra um veículo elétrico como um sistema exemplificativo que pode se beneficiar das realizações da invenção.

Descrição Detalhada As realizações da invenção definidas no presente documento referem-se a um método e aparelho de retroalimentação de isolamento de contator. Uma unidade de núcleo inclui um contator que isola um abastecimento de tensão de seu circuito que com base em limites internamente fornecidos e outros parâmetros operacionais específicos ao abastecimento de tensão. A unidade de núcleo recebe potência para operar os contatores e outros componentes internos e a unidade de núcleo emite informações operacionais para um controlador de sistema principal por meio de uma interface de sinal.

Referindo-se à Figura 1, o contator de isolamento 10 inclui condutores de entrada 12 e condutores de saída 14. Os condutores de entrada 12 são conectáveis aos condutores positivos 16 e negativos 18 respectivos de uma fonte de energia 20 e os condutores de saída 14 são conectáveis aos condutores de um barramento de tensão de, por exemplo, um sistema de armazenamento de energia. A fonte de energia 20 pode incluir, porém sem limitação, uma bateria de potência que opera a 400 V ou maior, uma bateria de energia que opera otimamente a 120 V ou uma unidade de potência auxiliar (APU) que pode incluir um mecanismo motor de combustão interna (ICE), um gerador de ímã permanente (PMG) ou uma célula de combustível (FC). As tensões operacionais ou diferenciais de tensão entre os condutores de entrada 12 de fato podem estar em qualquer faixa de tensão, de 10 V ou menos a 400 V ou mais. O contator de isolamento 10 também inclui uma linha de fonte de alimentação 22 para carregar potência para a operação de um ou mais contatores no contator de isolamento 10, conforme será discutido adicionalmente. O contator de isolamento 10 também inclui uma linha de interface em série ou de sinal 24 que inclui comunicação digital para e a partir do contator de isolamento 10. Isto é, a linha de interface de sinal 24 pode ser usada para fornecer informações de retroalimentação em relação à operação do contator 10 para um computador ou outro sistema de controle que é externo ao contator de isolamento 10, assim como para fornecer sinais de controle para a operação do mesmo, conforme será também discutido. Entretanto, conforme será também ilustrado, o contator de isolamento 10 é um dispositivo compacto e atua como uma unidade autônoma que pode ser programada'com valores limites a fim de fornecer funcionalidade a um sistema independente de quais componentes são fornecidos para o sistema. Isto é, limites operacionais para correntes e tensões podem ser pré-programados no contator de isolamento 10 e específicos às características operacionais desejadas específicas ao dispositivo selecionado, tal como a fonte de energia 20. Ademais, os limites podem ser reprogramados, com o uso da interface de sinal .24 em uma realização, a fim de fornecer flexibilidade da flexibilidade de operação do projeto de sistema.

Adicionalmente, a Figura 1 ilustra que ambos os condutores 16 e 18 da fonte de energia 20 são acoDlados ao contator de isolamento 10 e. conforme será descrito, o contator de isolamento 10 pode ser acoplado a um dos condutores tal como o condutor positivo 16, ao outro condutor tal como o condutor negativo 18 ou a ambos os condutores 16, 18. Isto é, em uma realização da invenção, um, o outro ou ambos os condutores 16, 18 podem ser isolados e controlados, tendo retroalimentação para cada um ou ambos bem como por meio da linha de interface de sinal 24.

Referindo-se agora à Figura 2, o controle de isolamento pode ser fornecido separadamente aos condutores 16 e 18 da fonte de energia 20. Isto é, um primeiro contator de isolamento 26 pode ser acoplado ao condutor positivo 16 e um segundo contator de isolamento 28 pode ser acoplado ao condutor negativo 18, a fim de fornecer separadamente o isolamento e a retroalimentação controláveis para os condutores separados 16, 18 da fonte de energia 20. Ademais, cada contator de isolamento 26, 28 pode incluir sua própria linha de fonte de alimentação respectiva 30; 32 e cada contator de isolamento 26, 28 pode incluir sua própria interface de sinal 34, 36. Assim, a flexibilidade de sistema completa pode ser fornecida permitindo-se o isolamento e o controle de um polo ou de ambos os polos 16, 18, fornecendo o controle de isolamento pelo uso de um único dispositivo 10 acoplado a ambos os polos 16, 18 (Figura 1) ou por contatores separados 26, 28 (Figura 2). A Figura 3 ilustra componentes internos de um contator de isolamento, de acordo com uma realização da invenção. O contator de isolamento 100 é conectável a um único polo, tal como o polo positivo 16 da fonte de energia 20. Entretanto, entende-se que o contator de isolamento 100 pode ser, ao invés disso, igualmente acoplado ao polo negativo 18 da fonte de energia 20 também. Assim, o contator de isolamento 100 representa um dos contatores de isolamento 26, 28 conforme ilustrado na Figura 2. O contator de isolamento 100 inclui componentes contidos no mesmo que permite o isolamento e a retroalimentação entre os condutores 16 e 14. Os componentes incluem um desvio de corrente 102 e um comutador ou contator 104 que é ativado ou operado por um acionador 106. O acionador 106 é acoplado a um circuito integrado 108 por meio de uma linha de controle de acionador 110. O circuito integrado 108, em uma realização, é um circuito integrado de aplicação específica (ASIC). O contator de isolamento 100 inclui um conversor analógico/digital (A/D) 112 que, conforme comumente conhecido na técnica, converte sinais analógicos entrantes, tal como uma tensão, em uma representação digital dos mesmos. A unidade de núcleo é, através disso, um circuito integrado de conversão de dados e enquadramento de dados que, em uma realização, é um ASIC que processa fluxos de bits sigma-delta de único bit e enquadra os dados em um protocolo em série proprietário ou padrão para transmitir os valores a montante. Também, o mesmo recebe comandos para configurar o desempenho de processamento de dados e inclui comandos simples para realizar ações de contator. O contator de isolamento 100 inclui um primeiro condutor 114 que, conforme ilustrado, é acoplável a um dispositivo de tensão alta, tal como a fonte de energia 20, por meio do condutor positivo 16. O primeiro condutor 114 inclui o desvio de corrente 102 que, como é comumente conhecido na técnica, permite que uma corrente em um condutor seja medida incluindo-se uma resistência conhecida na mesma. Como a resistência do desvio de corrente 102 é conhecida, tomando uma medição exata da queda de tensão para cada lado do desvio de corrente 102, a corrente pode ser determinada com a Lei de Ohm bem conhecida: Tensão (V) = Corrente (I) X Resistência (R). A queda de tensão ao longo do desvio de corrente 102 é determinada entre um primeiro ponto de medição de tensão 116 e um segundo ponto de medição de tensão 118 usando um par torcido 120 que extrai as tensões e alimenta as mesmas 122 ao conversor A/D 112.

Um diferencial de tensão aojongo do contator 104 é também determinado extraindo-se a tensão V1 124 e a tensão V2 126 e alimentando as tensões 128, também, para o conversor A/D 112. O conversor A/D 112 recebe as tensões entrantes para o desvio de corrente 102 e o contator 104 por meio do par torcido 120, determina a corrente no desvio de corrente 102 e envia as informações de corrente e tensão como um sinal digitalizado para o circuito integrado 108 por meio de uma ou mais linhas de interface de controle e fluxo de dados 130. O circuito integrado 108 recebe os dados de correhte contínuos relativos à corrente no primeiro condutor 114 e também recebe dados de tensão ao longo do contator 104. Conforme declarado, o circuito integrado 108 inclui informações de limite relacionadas pelo menos à corrente no primeiro condutor 114 e também relacionadas à queda de tensão ao longo do contator de isolamento 104. Isto é, o circuito integrado 108 é programado com limites operacionais desejados tanto para a corrente no primeiro condutor 114 quanto para a queda de tensão entre o ponto V1 116 e o ponto V2 118 e tais informações podem ser específicas ao tipo de dispositivo de energia ou específicas a um fabricante, conforme pertence à fonte de energia 20.

Consequentemente, o contator de isolamento 100 é um dispositivo compacto que combina a função de isolamento por meio de contatores 104 e fornece controle dos contatores 104 enquanto percebe a corrente e as tensões em diferentes pontos de sensoriamento. Nos sistemas em que os dispositivos de armazenamento de energia de alta tensão estão sendo usados, a operação de contator assim como as tensões e correntes monitoradas fornecem uma oportunidade para aprimorar a operação segura de um sistema total. Isto é, como o contator de isolamento 100 inclui um dispositivo programável separadamente tal como o circuito integrado 108, diferentes limites e características operacionais podem ser pré-programados específicos a um dispositivo tal como a fonte de energia 20. Assim, quando a fonte de energia 20 é troçada durante a fase de projeto e teste de um sistema total maior, a funcionalidade do contator de isolamento 100 pode ser mantida de modo simples e seguro apenas alterando os parâmetros operacionais específicos ao dispositivo trocado sem a necessidade de alterações custosas e demoradas ao hardware. Isto é, o monitoramento de tensão e isolamento de alta tensão pode ser adicionado a um sistema elétrico em qualquer ponto no tempo e não precisa ser completamente projetado no estágio de planejamento inicial. Em outras palavras, o contator de isolamento 100 fornece uma oportunidade de deferir uma decisão de qual sistema de energia 20 será incluído em um projeto final, fornecendo a oportunidade de testar e experimentar durante o estágio de projeto do desenvolvimènto de sistema, sem ter que fazer decisões precoces em relação ao sistema de energia 20 que são posteriormente muito mais difíceis de alterar ou desfazer. A quantidade de componentes eletrônicos é relativamente pequena, o que significa, portanto, que os componentes podem ser todos incluídos dentro de um único alojamento do contator de isolamento 100. Isto é, o contator de isolamento 100 pode ser feito pequeno e compácto e ter uma quantidade limitada de condutores de entrada e saída. Por exemplo, referindo-se ainda à Figura 3, o contator de isolamento 100 inclui simplesmente o condutor de entrada 12, o condutor de saída 14, os condutores de potência 132 (para o acionador operacional 106, o conversor A/D 112 e o circuito integrado 108) e condutores de interface em série 134. O contator de isolamento 100 pode, portanto, ser simplesmente ‘solto em’ um sistema que é ou será submetido adicionalmente ao teste de projeto e experimental, enquanto defere a decisão de qual sistema de energia 20 (ou tipo de sistema) será testado durante a fase experimental. O contator de isolamento 100 pode ser incluído na linha com um único polo de um sistema de energia conforme ilustrado.na Figura 3 ou dois contatores de isolamento 26, 28 podem ser incluídos com polos separados 16, 18 de um sistema de energia conforme ilustrado in Figura 2.

Ou, conforme ilustrado na Figura 1, um único contator de isolamento pode ser usado para isolar os dois polos de um dispositivo de energia. A Figura 4 ilustra componentes internos de um contator de isolamento, de acordo com uma realização da invenção. O contator de isolamento 10, conforme ilustrado na Figura 1, inclui condutores positivo e negativo 16, 18 do sistema de energia 20 que são conectáveis aos condutores 12. Os condutores de saída 14 são conectáveis como condutores positivo e negativo a um barramento DC, correspondendo ao condutor positivo 16 e ao condutor negativo 18. Bem parecido com a Figura 3, o contator de isolamento 10 da Figura 4 inclui o desvio de corrente 102 e um contator 104 que é controlável por meio do circuito integrado 108 e linha de controle de acionador 110 e por meio do acionador 106. Entretanto, nesta realização, o condutor negativo 18 é controlado separado por meio de um segundo contator 136 e um segundo acionador 138 e uma segunda linha de controle 140. Nesta realização, como cada contator 104, 136 é controlável separadamente, cada um pode ter seus próprios parâmetros e limites de operação, permitindo ainda o controle adicional dos contatores para cada condutor 16, 18 do sistema de energia 20. Assim, nesta realização, se uma corrente ondular ou se picos de tensão ocorrerem no condutor 16, isso é rapidamente e detectável e o sistema de energia 20 pode ser controlado, por meio de cada um ou ambos os contatores 104,136. A realização ilustrada na Figura 4 ilustra um desvio de corrente 102. Entretanto, a invenção não é tão limitada e o desvio de corrente 102 pode ser incluído também no segundo condutor 142. Em ainda outra realização, um desvio de corrente separado pode ser incluído em cada linha 114 e 142. Assim, de acordo com a invenção, ambos os condutores 16, 18 podem ser controlados em uma única unidade, tal como o contator de isolamento 10 que tem dois contatores 104, 136 no mesmo. Ou, ambos os condutores 16, 18 podem ser controláveis separadamente em duas unidades separadas, cada uma tendo somente um contator na mesma, tal como ilustrado na Figura 2.

Em operação, as realizações ilustradas nas Figuras 1 a 4 fornecem retroalimentação e isolamento de sistema a um controlador durante um estágio experimental do desenvolvimento de sistema. Como um exemplo, referindo-se à Figura 4, os condutores de entrada 12 são conectados aos polos 16 e 18 da fonte de energia 20 e os condutores de saída 14 são conectados aos respectivos condutores positivo e negativo de um barramento DC (não mostrado). A potência é fornecida ao contator de isolamento 10 por meio de condutores de potência 132 e condutores de interface em série 134 são conectados a um computador ou controlador de sistema (não mostrado). O conversor A/D 112 recebe dados de medição de diferencial de tensão por meio do par torcido 120 e também recebe as informações de tensão (V1, V2, V3, e V4) de cada contator 104, 136. O conversor A/D 112 converte as tensões recebidas em sinais digitais e emite os sinais para o circuito integrado 108. O circuito integrado 108 monitora a corrente e as tensões e compara as mesmas a limites que são estabelecidos que são particulares ao(s) dispositivo(s) ao(s) qual(is) o contator de isolamento 10 é conectado, nesse caso, a fonte de energia 20. Quando excursões de tensão ou corrente são detectadas que excedem o respectivo limite, o circuito integrado 108 envia subsequentemente um sinal de comando para abrir um ou ambos os contatores de isolamento 104, 136 e também envia um sinal ou estado de controle que corresponde ao sinal de comando. De tal maneira, o contator de isolamento 10 monitora os condutores, compara a tensão nos mesmos a valores limite, abre um ou ambos os contatores dos condutores com base em uma comparação das tensões dos valores limite e emite um sinal digital como retroalimentação que é indicativa do estado dos condutores (abertos ou fechados). Adicionalmente, o circuito integrado 108 emite, nas realizações, da invenção, as tensões medidas igualmente a fim de monitorar continuamente não somente o estado dos contatores, mas também as tensões e/ou corrente nos condutores igualmente.

As realizações do contator de isolamento reveladas no presente documento podem ser usadas em qualquer sistema em que seja desejável fornecer retroalimentação e isolamento elétrico a um ou mais polos ou condutores que são configurados para carregar potência elétrica. Conforme declarado, tal aplicação inclui para o uso em um dispositivo de alta tensão tal como um veículo híbrido ou um veículo elétrico. Tais sistemas podem também incluir, porém sem limitação, trens, aeronaves, navios, sistemas de potência eólica, sistemas fotovoltaicos solares, para citar apenas alguns. Assim, o problema não é limitado a veículos híbridos ou EVs, mas inclui qualquer sistema que possa exigir sistemas experimentais complexos que têm múltiplos subsistemas de geração e armazenamento de energia associados aos mesmos. Isto é, ao instalar um sistema experimental que está passando por projeto e testes rigorosos, pode ser desejável incluir um ou mais contatores de isolamento que possam ter limites de controle para a corrente e as tensões, conforme revelado nas realizações no presente documento.

Usando-se as realizações da invenção, a retroalimentação e o monitoramento de tensão e isolamento de alta tensão púdem ser adicionados a um sistema elétrico em qualquer ponto no tempo e não precisam ser completamente considerados no estágio de planejamento inicial. Isto é, um sistema pode ser construído em que várias unidades de abastecimento de tensão serão testadas a fim de validar um projeto, qualificar um fabricante ou testar um novo dispositivo, como exemplos. Assim, embora a seguinte ilustração na Figura 5 seja específica a um sistema de gerenciamento de energia de 4 portas para carregar vários dispositivos de armazenamento de energia e fontes de energia de um veículo híbrido, é contemplado que as realizações reveladas no presente documento podem ser usadas em qualquer sistema em que seja desejável fornecer a flexibilidade de operação durante uma fase de projeto e teste, a fim de fornecer retroalimentação e controle de um ou mais condutores elétricos.

Referindo-se agora à Figura 5, de acordo com a invenção, um veículo híbrido ou elétrico 200 inclui uma batería de potência 202 e uma ou mais baterias de energia 204 e um inversor de fonte 206 para inverter a potência DC das baterias 202, 204 a fim de acionar o motor 208. O motor 208 é acoplado a um diferencial 210 por meio de uma unidade de engrenagem 212 a fim de acionar as rodas 214. As baterias de energia 204 podem incluir dispositivos de tensão relativamente baixa tal como baterias convencionais ou ultracapacitores, como exemplos, que operam a aproximadamente 120 V, que fornecem capacidade de armazenamento de energia alta para, como um exemplo, cruzeiro de longo alcance do veículo 200. A bateria de potência 202 pode incluir um dispositivo de tensão relativamente alta para fornecer capacidade de potência alta, que opera a aproximadamente 400 V ou mais, que fornece aceleração de potência alta do veículo 200, como outro exemplo. O veículo 200 pode incluir um sistema de gerenciamento de armazenamento de energia (ESMS) 216 para carregar as baterias 202, 204. O ESMS 216 pode incluir uma quantidade de conversores redutores-elevadores 218 que podem reduzir ou abaixar uma tensão quando a corrente está passando em uma direção e elevar ou aumentar uma tensão quando a corrente está passando em outra direção. Isto é, os conversores redutores-elevadores 218 podem ser operados em conjunto um com o outro a fim de ajustar as tensões de carga entrantes para coincidir com uma tensão operacional desejada de um dispositivo a ser carregado, dependendo do projeto do sistema. Assim, como um exemplo, um dos sistemas de armazenamento 204 pode ser carregado a 120 V e a bateria de potência 202 pode ser carregada a 400 V. Assim, reduzindo ou aumentando seletivamente a tensão de uma carga ou abastecimento 220 (fonte AC ou DC), os sistemas de energia 204, 202 podem ser carregados direcionando-se apropriadamente a corrente para fluir através de um ou mais conversores redutores-elevadores 218.

Entretanto, em um sistema tal como o veículo híbrido ou elétrico 200 da Figura 5, pode ser desejável desenvolver uma unidade de potência auxiliar (APU) 222 que é posicionada no veículo 10 que permite que o sistema de armazenamento de energia recarregue assim como forneça potência para a operação de veículo. O veículo 200 nesta realização inclui uma APU 222 que pode ser controladamente engatada através de uma porta de carga 224. Assim, o veículo 200 pode incluir uma APU que fornece potência auxiliar ao motor elétrico 26 por meio do ESMS 216. A APU 222 pode incluir um mecanismo motor de combustão interna (ICE), um gerador de ímã permanente (PMG) ou uma célula de combustível (FC), como exemplos. Isto é, em conjunto com o carregador 220, durante o desenvolvimento do veículo híbrido ou elétrico 200 pode ser desejável testar um ou múltiplos tipos de APU a fim de otimizar o projeto total. Assim, durante o estágio experimental, múltiplos tipos de APU podem ser trocados para dentro e para fora. A fim de impedir a troca custosa e demorada do hardware que é específico a cada tipo de APU, de acordo com a invenção, um contator de isolamento 226 pode ser incluído que permite tanto o isolamento quanto a retroalimentação a uma unidade de controle de sistema mais ampla 228 que pode ser externa ao veículo híbrido ou elétrico 200.

Ademais, embora a unidade de isolamento 226 seja mostrada como sendo posicionada em paralelo com a porta P3 224, as unidades de isolamento de acordo com as realizações reveladas no presente documento podem ser incluídas em qualquer uma ou em todas as outras portas 230 do veículo híbrido ou elétrico 200, também. Ademais, conforme pode ser visto na Figura 5, o contator de isolamento 226 inclui o controle de isolamento de cada condutor 232 da.APU 222, similar a esse revelado na Figura 1 e na Figura 4, é contemplado que somente um dos condutores 232 pode ser isolado separadamente com uso de um único isolamento de linha tal como esse revelado na Figura 3 ou que ambos os condutores 232 podem ser isolados separadamente com o uso de um único sistema de isolamento de condutor em cada condutor, conforme revelado em relação à Figura 2.

Uma contribuição técnica para o método e o aparelho revelados é que fornece um sistema de isolamento e retroalimentação para um sistema de armazenamento de energia elétrica.

Portanto, de acordo com uma realização da presente invenção, uma unidade de contator inclui um condutor de entrada conectável a um primeiro condutor de um dispositivo de saída de energia, um condutor de saída conectável a um primeiro condutor de um barramento de tensão, um contator que conecta e desconecta o condutor de entrada do condutor de saída, um acionador configurado para operar o contator, um enlace de dados em série conectável a um controlador de sistema que é externo à unidade de contator e um circuito integrado (IC) posicionado dentro da unidade de contator e configurado para emitir um comando de controle para o acionador para abrir o contator com base em pelo menos um dentre uma corrente ou nò condutor de entrada ou no condutor de saída e um diferencial de tensão ao longo do contator e emitir um estado de controle de contator por meio do enlace de dados em série.

De acordo com outra realização da presente invenção, um método para operar um contator de isolamento que compreende fixar um condutor de entrada do contator de isolamento a um primeiro condutor de um dispositivo de saída de energia e um condutor de saída do contator de isolamento a um barramento de tensão, medir uma corrente que passa através de um dentre o condutor de entrada e o condutor de saída, medir uma tensão ao longo de um comutador que é posicionado dentro de um alojamento do contator de isolamento e acoplado ao condutor de entrada e ao condutor de saída, o comutador configurado para desconectar o condutor de entrada do condutor de saída, conduzir os sinais que são representativos da corrente medida e a tensão medida para um circuito integrado (IC) que é posicionado dentro do alojamento do contator de isolamento, controlar um acionador com base nos sinais conduzidos para o IC, o acionador configurado para operar o comutador e emitir um estado do comutador para um dispositivo de computação externo ao alojamento por meio de um enlace em série.

De acordo com ainda outra realização da presente invenção, um sistema para isolar um primeiro dispositivo de tensão de um segundo dispositivo de tensão, o sistema inclui uma unidade de isolamento que tem pelo menos primeiro e segundo condutores externos à mesma e conectáveis aos condutores dos respectivos dispositivos de energia, um comutador posicionado dentro de um alojamento da unidade de isolamento e acoplado aos primeiro e segundo condutores de tal modo que o primeiro e o segundo condutores sejam engatáveis seletivamente por meio do comutador, uma unidade de acionamento posicionada dentro do alojamento e configurada para engatar e desengatar o comutador, um circuito integrado (IC) posicionado dentro do alojamento e configurado para emitir um comando de controle para a unidade de acionamento para abrir o comutador com base em pelo menos um dentre uma corrente ou no primeiro condutor ou no segundo condutor e um diferencial * de tensão ao longo do comutador e emitir um estado de controle de sistema por meio de um enlace de dados em série. A presente invenção foi descrita em termos da realização preferencial e é reconhecido que equivalentes, alternativas e modificações, com exceção daqueles expressamente declarados, são possíveis e estão dentro do escopo das reivindicações anexas.

Claims (20)

1. UNIDADE DE CONTATOR, que compreende: um condutor de entrada conectável a um primeiro condutor de um dispositivo de saída de energia; um condutor de saída conectável a um primeiro condutor de um barramento de tensão; um contator aue conecta e desconecta o condutor de entrada do condutor de saída; um acionador configurado para operar o contator; um enlace de dados em série conectável a um controlador de sistema que é externo à unidade de contator; e um circuito integrado (IC) posicionado dentro da unidade de contator e configurado para: emitir um comando de controle para o acionador para abrir o contator com base em pelo menos um dentre: uma corrente ou no condutor de entrada ou no condutor de saída; e um diferencial de tensão ao longo do contator; e emitir um estado de controle de contator por meio do enlace de dados em série.

2. UNIDADE DE CONTATOR, de acordo com a reivindicação 1, em que o IC é configurado para: receber leituras de tensão medidas ao longo do contator e calcular o diferencial de tensão com base nas mesmas; comparar o diferencial de tensão a um valor limite de tensão; receber uma leitura de corrente ou no condutor de entrada ou no condutor de saída; comoarar a leitura de nnrrente a um valnr limite He rnrrente· e emitir o comando de controle para o acionador com base em pelo menos um dentre: a comparação do diferencial de tensão ao limite de tensão; e a comparação da leitura de corrente ao valor limite de corrente.

3. UNIDADE DE CONTATOR, de acordo com a reivindicação 2, em que o IC é um circuito integrado de aplicação específica de aplicação específica (ASIC) que é programável de tal modo que as variáveis operacionais da unidade de contator possam ser programadas, em que as variáveis operacionais incluem o valor limite de tensão e o valor limite de corrente.

4. UNIDADE DE CONTATOR, de acordo com a reivindicação 3, em que o ASIC é programável por meio do enlace em série de um computador que é externo à unidade de contator.

5. UNIDADE DE CONTATOR, de acordo com a reivindicação 2, que compreende um desvio de corrente posicionado para fornecer a leitura de corrente, sendo que o desvio de corrente tem um primeiro ponto de medição de tensão a um lado do desvio de corrente e um segundo ponto de medição de tensão a outro lado do desvio de corrente, em que a leitura de corrente é determinada com base nas tensões medidas no primeiro ponto de medição de tensão e no segundo ponto de medição de tensão.

6. UNIDADE DE CONTATOR, de acordo com a reivindicação 5, que compreende um conversor analógico/digital (A/D) configurado para receber os valores de tensão de um primeiro ponto de derivação de tensão e de um segundo ponto de derivação de tensão, em que o primeiro ponto de derivação de tensão é posicionado para medir uma tensão a um lado do contator e o segundo ponto de derivação de tensão é posicionado para medir uma tensão ao outro lado do contator, em que o IC é configurado para: determinar a leitura de corrente com base nas tensões medidas no primeiro ponto de medição de tensão e no segundo ponto de medição de tensão; e calcular o diferencial de tensão ao longo do contator com base nas medições de tensão no primeiro e no segundo pontos de derivação de tensão.

7. UNIDADE DE CONTATOR, de acordo com a reivindicação 1, que compreende: um segundo condutor de entrada conectável a um segundo condutor do dispositivo de saída de energia; um segundo condutor de saída conectável a um segundo condutor do barramento de tensão; um segundo contator que conecta e desconecta o segundo condutor de entrada do segundo condutor de saída; um segundo acionador configurado para operar o segundo contator; em que o IC é configurado adicionalmente para: emitir um segundo comando de controle para o segundo acionador abrir o segundo contator com base em pelo menos um dentre: uma segunda corrente ou no segundo condutor de entrada ou no segundo condutor de saída; e um segundo diferencial de tensão ao longo do segundo contator; e emitir um segundo estado de controle de contator por meio do enlace de dados em série.

8. MÉTODO PARA OPERAR UM CONTATOR DE ISOLAMENTO, que compreende: fixar um condutor de entrada do contator de isolamento a um primeiro condutor de um dispositivo de saída de energia e um condutor de saída do contator de isolamento a um barramento de tensão; medir uma corrente que passa através de um dentre o condutor de entrada e o condutor de saída; medir uma tensão ao longo de um comutador que é posicionado dentro de um alojamento do contator de isolamento e acoplado ao condutor de entrada e ao condutor de saída, o comutador configurado para desconectar o condutor de entrada do condutor de saída; conduzir sinais que são representativos da corrente medida e da tensão medida a um circuito integrado (IC) que é posicionado dentro do alojamento do contator de isolamento; controlar um acionador com base nos sinais conduzidos para o IC, o acionador configurado para operar o comutador; e emitir um estado do comutador para um dispositivo de computação externo ao alojamento por meio de um enlace em série.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, que compreende: medir a corrente e a tensão com um conversor analógico/digital (A/D) que é posicionado dentro do alojamento; e emitir os sinais conduzidos como sinais digitais do conversor A/D.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, que compreende: comparar, no IC, a corrente que passa através de um dentre o condutor de entrada e o condutor de saída a um valor limite de corrente; comparar, no IC, a tensão ao longo do comutador a um valor limite de diferencial de tensão; e controlar o acionador com base na comparação da corrente ao valor limite de corrente e com base na comparação da corrente ao longo do comutador ao valor limite de diferencial.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que o circuito integrado é um circuito integrado de aplicação específica (ASIC), sendo que o método compreende adicionalmente programar o ASIC de tal modo que as variáveis operacionais da unidade de contator possam ser programadas, em que as variáveis operacionais incluem o valor limite de diferencial de tensão e o valor limite de corrente.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, que compreende programar o ASIC por meio do enlace em série.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, em que medir a corrente compreende medir a corrente ao longo de um desvio de corrente que está em série com um dentre o condutor de entrada e o condutor de saída.

14. SISTEMA PARA ISOLAR UM PRIMEIRO DISPOSITIVO DE TENSÃO DE UM SEGUNDO DISPOSITIVO DE TENSÃO, sendo que o sistema compreende: uma unidade de isolamento que tem pelo menos o primeiro e o segundo condutores externos à mesma e conectáveis aos condutores dos dispositivos de energia respectivos; um comutador posicionado dentro de um alojamento da unidade de isolamento e acoplado ao primeiro e ao segundo condutores de tal modo que o primeiro e o segundo condutores sejam engatáveis seletivamente por meio do comutador; uma unidade de acionamento posicionada dentro do alojamento e configurada para engatar e desengatar o comutador; um circuito integrado (IC) posicionado dentro do alojamento e configurado para: emitir um comando de controle para a unidade de acionamento para abrir o comutador com base em pelo menos um dentre: uma corrente ou no primeiro condutor ou no segundo condutor; e um diferencial de tensão ao longo do comutador; e emitir um estado de controle de sistema por meio de um enlace de dados em série.

15. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 14, em que o IC é configurado para: receber leituras de tensão medidas nos primeiro e segundo condutores e calcular o diferencial de tensão com base nas mesmas; comparar o diferencial de tensão a um valor limite de tensão; receber uma leitura de corrente ou do primeiro condutor ou do segundo condutor; comparar a leitura de corrente a um valor limite de corrente; e emitir o comando de controle para a unidade de acionamento com base em pelo menos um dentre: a comparação do diferencial de tensão ao valor limite de tensão; e a comparação da leitura de corrente ao valor limite de corrente.

16. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 15, em que o IC é um circuito integrado de aplicação específica (ASIC) que é programável de tal modo que as variáveis operacionais da unidade de contator possam ser programadas, em que as variáveis operacionais incluem o valor limite de tensão e o valor limite de corrente.

17. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 16, em que o ASIC é programável por meio do enlace em série de um computador que é externo à unidade de contator.

18. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 15, que compreende um desvio de corrente posicionado para fornecer a leitura de corrente e acoplado a um dentre o primeiro condutor ou o segundo condutor, sendo que o desvio de corrente tem um primeiro ponto de medição de tensão a um lado do desvio de corrente e um segundo ponto de medição de tensão a outro lado do desvio de corrente, em que a leitura de corrente é determinada com base nas tensões medidas no primeiro ponto de medição de tensão e no seaundo ponto de medição de tensão.

19. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 18, que compreende um conversor analógico/digital (A/D) posicionado dentro do alojamento e configurado para receber os valores de tensão de um primeiro ponto de derivação de tensão e de um segundo ponto de derivação de tensão, em que o primeiro ponto de derivação de tensão é posicionado para medir uma tensão a um lado do comutador e o segundo ponto de derivação de tensão é posicionado para medir uma tensão ao outro lado do comutador, em que o IC é configurado para: determinar a leitura de corrente com base nas tensões medidas no primeiro ponto de medição de tensão e no segundo ponto de medição de tensão; e calcular o diferencial de tensão ao longo do comutador com base nas medições de tensão no primeiro e no segundo pontos de derivação de tensão.

20. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 14, que compreende: o terceiro e o quarto condutores externos à unidade de isolamento e conectáveis aos condutores dos respectivos dispositivos de energia; um segundo comutador posicionado dentro do alojamento da unidade de isolamento e acoplado aos terceiro e quarto condutores dos respectivos dispositivos de energia; uma segunda unidade de acionamento posicionada dentro do alojamento e configurada para engatar e desengatar o segundo comutador; em que o IC é configurado adicionalmente para: emitir um segundo comando de controle para a segunda unidade de acionamento para abrir o segundo comutador com base em pêlo menos um dentre: uma segunda corrente ou no terceiro ou no quarto comutador; e um segundo diferencial de tensão ao longo do segundo comutador; e emitir um segundo estado de controle de sistema por meio do enlace de dados em série.