BR102015018279A2 - conversor de três portas e sistema de múltiplas fontes de energia - Google Patents

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Abstract

conversor de três portas e sistema de múltiplas fontes de energia. trata-se de um conversor cc-cc de três portas conectável a múltiplas cargas e fontes de energia para alocar potência entre as mesmas. o conversor cc-cc de três portas inclui uma disposição de dispositivos de comutação que consiste em um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação. o conversor cc-cc de três portas também inclui um par de canais de entrada que fornecem corrente para a disposição de dispositivos de comutação, sendo que o par de canais de entrada é conectado a e recebe ou envia potência a partir de ou para uma pluralidade de cargas ou fontes de energia. o conversor cc-cc de três portas inclui adicionalmente um canal de saída que emite uma potência controlada a partir do conversor cc-cc de três portas ou para o mesmo. o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação são controláveis seletivamente para fornecer uma potência controlada ao canal de saída a partir da pluralidade de cargas e fontes de energia conectadas aos canais de entrada.

Description

“CONVERSOR DE TRÊS PORTAS E SISTEMA DE MÚLTIPLAS FONTES DE ENERGIA” Antecedentes da Invenção [001] As realizações da invenção referem-se, em geral, a conversores de potência e, mais particularmente, a um conversor de potência CC-CC conectável a múltiplas cargas e fontes de energia para alocar potência entre as mesmas.
[002] A integração de múltiplas fontes de energia distintas é comum em muitas aplicações de sistemas de potência elétrica para finalidades de combinação das vantagens das fontes de energia com a utilização de cada fonte de energia de uma maneira eficiente. Por exemplo, as tecnologias de armazenamento de energia múltipla ou dupla têm sido utilizadas recentemente no sistema de propulsão de veículos elétricos, veículos elétricos híbridos, veículos elétricos híbridos, e locomotivas híbridas, assim como em sistemas com eficiência de combustível em partida-parada. Os sistemas de propulsão e/ou os sistemas de eficiência de combustível de partida-parada nessas locomotivas/veículos utilizam grandes baterias, ultracapacitores, volantes, ou uma combinação desses elementos de forma a fornecer energia suficiente para energizar um motor elétrico ou motores (e/ou alcançar eficiência de combustível).
[003] Embora eficazes de um modo geral, um desafio relacionado a tais sistemas consiste no fato de que a tensão nominal das unidades de armazenamento de energia (ou seja, baterias, e/ou ultracapacitores) nos mesmos estabelece a tensão de sistema global. Tal configuração limita a confiabilidade global e a eficiência do sistema de propulsão elétrica, uma vez que as demandas de tensão do motor elétrico são, frequentemente, maiores do que a tensão de unidade de armazenamento de energia.
[004] Para enfrentar essa questão, os conversores de tensão CC-CC (por exemplo, os conversores elevadores bidirecionais) são empregados, frequentemente, para desacoplar a(s) tensão(ões) de unidade de armazenamento de energia de uma tensão de enlace CC (sendo que o enlace CC é acoplado ao motor elétrico), sendo que um ou múltiplos conversores são empregados para fornecer esse desacoplamento. Os conversores elevadores bidirecionais atuam para aumentar, ou “intensificar”, as tensões fornecidas a partir de unidades de armazenamento de energia ao enlace CC para atender às demandas de potência do motor elétrico. De fato, a razão da tensão de enlace CC para a(s) tensão(ões) da unidade de armazenamento de energia é tipicamente maior do que 2:1. Os conversores elevadores bidirecionais possibilitam tal aumento na tensão suprida ao enlace CC sem a necessidade de um aumento no tamanho das unidades de armazenamento de energia (por exemplo, a quantidade de unidades de armazenamento de energia conectadas em série).
[005] Embora os conversores elevadores bidirecionais existentes possibilitem, com sucesso, um suprimento aumentado de tensão para o enlace CC sem um aumento correspondente no tamanho das unidades de armazenamento de energia, a conexão típica de múltiplos conversores em paralelo ou em série (para a integração das múltiplas fontes de energia com plena capacidade de controle) resulta em no emprego de uma quantidade elevada de comutadores no processo de conversão de energia. Por exemplo, um par de conversores CC-CC de duas portas conectados de modo paralelo ou em série para fornecer a intensificação e/ou neutralização da tensão resulta no emprego de um total de quatro comutadores para a execução da conversão de tensão. Esse número elevado de comutadores na disposição de conversores CC-CC aumenta o volume, o peso, e o custo do sistema. Adicionalmente, essa disposição de conversores fornece capacidade de gerenciamento energia ou potência limitada para cada caminho de conversão, desempenho não otimizado (incluindo custo, densidade de potência, densidade de energia, etc.) e /ou capacidade de controle limitada de algumas das fontes/cargas.
[006] A conexão típica de múltiplos conversores de modo paralelo ou em série (para a integração das múltiplas fontes de energia com capacidade de controle total) também é empregada em disposições em que um único dispositivo de armazenamento de energia fornece com potência para múltiplas cargas (por exemplo, motores elétricos) sendo que isso resulta novamente em um número elevado de comutadores sendo empregados no processo de conversão de energia.
[007] Portanto, deseja-se fornecer um conversor CC-CC conectável a múltiplas fontes de energia que inclua um número mínimo de comutadores no mesmo, necessário para alocar a potência e integrar as múltiplas fontes/cargas de energia com capacidade de controle total.
Descrição Resumida da Invenção [008] As realizações da invenção são direcionadas a um conversor de potência CC-CC conectável a múltiplas cargas e fontes de energia para alocar potência entre as mesmas.
[009] De acordo com um aspecto da invenção, um conversor CC-CC de três portas inclui uma disposição de dispositivos de comutação que consiste em um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação. O conversor CC-CC de três portas também inclui um par de canais de entrada que fornece corrente à disposição de dispositivos de comutação, sendo que o par de canais de entrada é conectado e recebe ou envia potência a partir de ou para uma pluralidade de cargas e fontes de energia. O conversor CC-CC de três portas inclui adicionalmente um canal de saída que emite uma potência controlada a partir do conversor CC-CC de três portas ou para o mesmo. O primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação são controlados seletivamente para fornecer uma potência controlada ao canal de saída a partir da pluralidade de cargas e fontes de energia conectadas aos canais de entrada.
[010] De acordo com outro aspecto da invenção, um conversor CC-CC de três portas inclui um primeiro circuito de conversão de tensão que tem um indutor e um par de dispositivos de comutação acoplados ao indutor. O conversor CC-CC de três portas também inclui um segundo circuito de conversão de tensão que tem um indutor e um par de dispositivos de comutação acoplados ao indutor. O conversor CC-CC de três portas inclui adicionalmente um primeiro canal de entrada e um segundo canal de entrada conectados, respectivamente, ao primeiro e ao segundo circuitos de conversão de tensão, sendo que cada um dos canais de entrada fornece potência ao respectivo circuito de conversão de tensão do mesmo a partir de uma ou mais cargas e fontes de energia conectadas ao mesmo. O par de dispositivos de comutação no primeiro circuito de conversão de tensão e o par de dispositivos de comutação no segundo dispositivo de comutação são formados a partir de uma disposição de um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação, sendo que o primeiro e o segundo circuitos de conversão de tensão têm um caminho de corrente compartilhada entre um canal de saída do conversor CC-CC de três portas.
[011] De acordo com ainda outro aspecto da invenção, um sistema de múltiplas fontes de energia inclui uma conexão de corrente contínua (CC), uma carga acoplada ao enlace CC e configurada para receber energia do enlace CC, um conversor CC-CC de três portas que compreende um canal de saída acoplado ao enlace CC e que compreende o primeiro e o segundo canais de entrada, uma primeira fonte de energia acoplada ao primeiro canal de entrada do conversor CC-CC de três portas e uma segunda fonte de energia acoplada ao segundo canal de entrada do conversor CC-CC de três portas. O conversor CC-CC de três portas inclui adicionalmente uma disposição de dispositivos de comutação que consiste em um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação, e um controlador em comunicação operável com a disposição de dispositivos de comutação para operar de forma seletiva cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação em um dentre um estado LIGADO e um estado DESLIGADO. O controlador é programado para operar seletivamente cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação em um dentre um estado LIGADO e um estado DESLIGADO, de modo a controlar o fluxo de corrente entre a primeira e segunda fontes de energia e o canal de saída.
[012] Diversos outros recursos e vantagens tornar-se-ão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir e os desenhos.
Breve Descrição das Figuras [013] Os desenhos ilustram as realizações presentemente contempladas para a realização da invenção.
[014] Nos desenhos: A Figura 1 é um diagrama de blocos esquemático de um conversor CC-CC de três portas de intensificação-neutralização com cargas/fontes fixadas, de acordo com uma realização da invenção. A Figura 2 é um diagrama de blocos esquemático de um conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador com fontes/cargas fixadas, de acordo com uma realização da invenção. A Figura 3 é um diagrama de blocos esquemático de um conversor CC-CC de três portas do tipo neutralizador com cargas/fontes fixadas, de acordo com uma realização da invenção. A Figura 4 é um gráfico que ilustra uma estratégia de modulação para fornecer uma sequência de sinais de portão para os dispositivos de comutação no conversor CC-CC de três portas de quaisquer das Figuras 1 a 3, de acordo com uma realização da invenção.
As Figuras 5A a 5C são diagramas de blocos esquemáticos de diversos modos de operação do conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador da Figura 1 quando operados de acordo com a estratégia modulação da Figura 4. A Figura 6 é um diagrama de blocos esquemático de conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador com cargas/fontes fixadas, de acordo com outra realização da invenção. A Figura 7 é um diagrama de blocos esquemático de um conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador com cargas/fontes fixadas, de acordo com outra realização da invenção. A Figura 8 é um diagrama de blocos esquemático de um conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador com cargas/fontes fixadas, de acordo com outra realização da invenção. A Figura 9 é um diagrama de blocos esquemático de um conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador com cargas/fontes fixadas, de acordo com outra realização da invenção.
Descrição Detalhada da Invenção [015] As realizações da invenção fornecem um conversor CC-CC de três portas que inclui uma disposição de três dispositivos de comutação no mesmo que são controlados de modo seletivo para fornecer uma potência de saída controlada do conversor. Uma pluralidade de cargas e fontes de energia é fornecida em um lado do conversor CC-CC de três portas e conectada ao mesmo através de canais de entrada do conversor, sendo que a disposição dos três dispositivos de comutação é controlada para fornecer seletivamente energia de uma ou mais fontes de energia para uma saída do conversor, ou para fornecer potência para múltiplas cargas a partir da entrada do conversor.
[016] As Figuras 1 a 3 ilustram diversas realizações de um conversor CC-CC de três portas que integram, cada uma, dois conversores CC-CC (ou seja, circuitos de conversão de tensão) com um caminho de corrente compartilhada entre os mesmos. A Figura 1 apresenta um conversor CC-CC 10 de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 que pode alcançar o fluxo de potência bidirecional. A Figura 2 apresenta um conversor CC-CC 12 de três portas do tipo intensificador que pode fornecer potência a partir de um lado de baixa tensão para um lado de alta tensão. A Figura 3 apresenta um conversor CC-CC 14 de três portas do tipo de neutralização que pode fornecer potência a partir de um lado de alta tensão para um lado de baixa tensão.
[017] O conversor CC-CC de três portas 10, 12, 14 em cada uma das realizações das Figuras 1 a 3 é conectado a uma pluralidade de dispositivos de fornecimento ou consumo de energia (ou seja, cargas e fontes de energia) de tensões diferentes - de modo que uma intensificação ou neutralização das tensões seja executada pelo conversor CC-CC de três portas 10, 12, 14. Pelo menos duas fontes/cargas são fornecidas em um lado do conversor CC-CC de três portas 10, 12, 14 - sendo que as Figuras 1 a 3 indicam, cada uma, uma primeira fonte/carga 16 e uma segunda fonte/carga 18, fornecidas em um lado do conversor. Embora sejam apresentadas somente uma primeira e uma segunda fonte/carga 16, 18 conectadas ao conversor CC-CC 10, 12, 14, reconhece-se que fontes/cargas adicionais podem ser conectadas ao mesmo - sendo que tais cargas/fontes podem ser conectadas em paralelo ou em série. Uma fonte/carga 20 também é fornecida no lado do conversor oposto à primeira e à segunda fontes/cargas 16, 18. É salientado que os capacitores CC podem ser colocados nos terminais para suavizar a tensão, e isso não é ilustrado nas Figuras 1 a 3.
[018] Conforme mostrado especificamente na Figura 1, de acordo com uma realização de exemplo, um conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 é fornecido como parte de um sistema de dispositivo de múltiplos armazenamentos de energia 22 - sendo que as cargas/fontes 16, 18, 20 estão na forma de um primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 (por exemplo, uma bateria de energia), um segundo dispositivo de armazenamento de energia 18 (por exemplo, um dispositivo de armazenamento de energia de potência específica elevada) e uma carga 20 (por exemplo, inversor CC-CA e motor CA). O primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 pode estar na forma de uma bateria de energia específica elevada ou uma bateria de densidade de energia elevada, tal como uma bateria de íon de lítio, halogeneto de metal-sódio, cloreto de níquel de sódio, enxofre-sódio, ou ar-zinco, por exemplo, que podem alcançar uma densidade de energia na ordem de 100 W-h/kg ou superior. O segundo dispositivo de armazenamento de energia 18 pode compreender um dispositivo de potência de energia específica elevada, tal como um banco de ultracapacitor compreendido por múltiplas células que têm uma capacitância celular que é maior do que 500 Farads por célula, por exemplo.
[019] Na Figura 1, o primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 e o segundo dispositivo de armazenamento de energia 18 são acoplados em conjunto em um lado de baixa tensão 24 do conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10, em que um terminal negativo 26 do primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 e um terminal negativo 28 do segundo dispositivo de armazenamento de energia 18 são acoplados a um barramento 30, enquanto que um terminal positivo 32 do primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 é acoplado a um barramento 34, que é um barramento positivo conectado através de um indutor 36 ao canal de entrada 38 do conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 no lado de baixa tensão 24 do conversor. Um terminal positivo 40 do segundo dispositivo de armazenamento de energia 18 é acoplado a um barramento 42, que é acoplado através de um indutor 44 no lado de baixa tensão 24 no canal de entrada 46 do conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10.
[020] Durante a operação típica, o conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 atua para intensificar a tensão fornecida pelo lado de baixa tensão 24 do sistema 22 ao lado de alta tensão 48 do sistema 22, bem como para regular a tensão e fornecer proteção contra sobrecorrente ao primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 e ao segundo dispositivo de armazenamento de energia 18. Estratégias de alocação de potência diferentes podem ser aplicadas ao sistema. Por exemplo, tanto o primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 quanto o segundo dispositivo de armazenamento de energia 18 podem fornecer potência simultaneamente para a carga 20. Os mesmos podem ser operados de um modo que uma fonte forneça potência por maior parte do tempo enquanto que a outra é utilizada como fonte sobressalente.
[021] Em relação ao conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10, o conversor é construído para incluir um primeiro circuito de conversão de tensão 50 e um segundo circuito de conversão de tensão 52 no mesmo que têm um caminho de corrente compartilhada entre os mesmos. Cada um dentre o primeiro circuito de conversão de tensão 50 e o segundo circuito de conversão de tensão 52 inclui um respectivo canal de entrada 38, 46 que tem um indutor 36, 44 no mesmo, conforme descrito anteriormente, através do qual os circuitos de conversão 50, 52 são conectados ao primeiro e ao segundo dispositivos de armazenamento de energia 16, 18, respectivamente. Mediante a realização de uma intensificação desejada de tensões, o primeiro e o segundo circuitos de conversão 50, 52 fornecem uma saída de tensão a um canal de saída 54 do conversor CC-CC de três portas 10, sendo que o canal de saída 54 fornece a tensão intensificada a um enlace CC 56 ao qual a carga 20 está conectada.
[022] O conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 inclui adicionalmente uma disposição de três dispositivos de comutação - ou seja, um primeiro dispositivo de comutação 58, um segundo dispositivo de comutação 60 e um terceiro dispositivo de comutação 62 - para intensificação e neutralização de modo seletivo das tensões no sistema entre o primeiro e segundo dispositivos de armazenamento de energia 16, 18 e carga 20. Conforme mostrado na Figura 1 de acordo com uma realização da invenção, cada dispositivo de comutação 58, 60, 62 é formado como um módulo de meia fase que inclui um comutador 64 acoplado a um diodo 66 (ou seja, um par diodo/comutador). Os comutadores 64 são apresentados para fins de ilustração, na forma de transistores bipolares de portão isolado (IGBTs). Entretanto, as realizações da invenção não estão restritas aos IGBTs. Qualquer comutador eletrônico apropriado pode ser empregado, tais como, por exemplo, transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFETs), MOSFETs de carboneto de silício (Sic), dispositivos de nitreto de gálio (GaN), transistores de junção bipolar (BJTs), e tiristores controlados de semicondutor de óxido metálico (MCTs).
[023] Os dispositivos de comutação 58, 60, 62 são dispostos de modo que o primeiro dispositivo de comutação 58 se conecte operacionalmente a um terminal positivo do canal de saída 54 e o terceiro dispositivo de comutação 62 se conecte operacionalmente a um terminal negativo do canal de saída 54, sendo que o segundo dispositivo de comutação 60 tem um terminal operacionalmente conectado ao primeiro dispositivo de comutado 58 e um segundo terminal operacionalmente conectado ao terceiro dispositivo de comutação 62. Os dispositivos de comutação 58, 60, 62 são dispostos adicionalmente de modo que o primeiro dispositivo de comutação 58 e o segundo dispositivo de comutação 60 sejam conectados operacionalmente a um terminal do indutor 36, e o segundo dispositivo de comutação 60 e o terceiro dispositivo de comutação 62 sejam conectados operacionalmente a um terminal do indutor 44.
[024] Com base na disposição do primeiro dispositivo de comutação 58, do segundo dispositivo de comutação 60 e do terceiro dispositivo de comutação 62 - os dispositivos de comutação 58, 60, 62 servem coletivamente como os dispositivos de comutação para o primeiro circuito de conversão de tensão 50 e o segundo circuito de conversão de tensão 52. Com base na disposição dos dispositivos de comutação 58, 60, 62 que formam cada um dentre o primeiro circuito de conversão de tensão 50 e o segundo circuito de conversão de tensão 52 (em parte), um caminho de corrente compartilhada é utilizado entre o primeiro e segundo circuitos de conversão de tensão 50, 52 e entre o canal de saída 54 do conversor CC-CC de três portas 10.
[025] Também está incluído no conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 um controlador 68 que está em comunicação operável com a disposição dos dispositivos de comutação 58, 60, 62 para operar seletivamente cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação 58, o segundo dispositivo de comutação 60 e o terceiro dispositivo de comutação 62 em um dentre um estado LIGADO (ou seja, estado de condução/conduzido) e um estado DESLIGADO (ou seja, estado sem condução/não conduzido). O controlador 68 aplica seletivamente sinais de portão aos dispositivos de comutação 58, 60, 62 (ou seja, aos comutadores 64) de modo a comutar os mesmos para o estado LIGADO e controlar um fluxo de corrente através dos dispositivos de comutação 58, 60, 62, de modo que possa potência possa ser extraída a partir do primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 e/ou do segundo dispositivo de armazenamento de energia 18.
[026] A fim de ilustrar o princípio de operação do conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10, e dos circuitos de conversão 50, 52 e dispositivos de comutação 58, 60, 62 nos mesmos -através do controlador 68 - faz-se referência à Figura 4, que apresenta uma das possíveis sequências dos sinais de portão G1, G2, G3 fornecidos aos respectivos dispositivos de comutação 58, 60, 62 do conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 pelo controlador 68. A estratégia de modulação 70 ilustrada é aplicável em ambos os modos de operação intensificação e neutralização do conversor CC-CC de três portas 10 e fornece a suavização durante a comutação entre os modos. A partir do acionamento do dispositivo, a corrente pode ser em qualquer direção dependendo do fluxo de potência. Em relação à estratégia de modulação 70, reconhece-se que a tensão do primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 deve ser maior do que aquela do segundo dispositivo de armazenamento de energia 18 devido à capacidade de bloqueio da tensão unidirecional do dispositivo.
[027] Com referência novamente às Figuras 5A-5C, e com referência continuada à Figura 3, pode-se observar que há essencialmente três modos de operação possíveis do conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 que podem ser obtidos através da estratégia de modulação 70 ilustrada na Figura 4. A Figura 5A apresenta um modo operacional quando a potência flui entre o barramento CC 56 e o primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 quando o primeiro dispositivo de comutação 58 e o terceiro dispositivo de comutação 62 conduzem a corrente. Essa sequência dos sinais de portão fornecida aos dispositivos de comutação 58, 60, 62 pelo controlador 68 - sendo que o primeiro dispositivo de comutação 58 e o terceiro dispositivo de comutação 62 estão no estado LIGADO e o segundo dispositivo de comutação 60 está no estado DESLIGADO - é ilustrada na Figura 4 durante um período 72. Nesse estado dos dispositivos de comutação 58, 60, 62 do conversor CC-CC 10, conforme implantado pelo controlador 68, a tensão Va é V1 e a tensão Vb é 0, conforme apresentado na Figura 5A.
[028] A Figura 5B apresenta o modo de funcionamento quando a potência escoa entre o barramento CC 56 e tanto no primeiro quanto no segundo dispositivos de armazenamento de energia 16, 18 quando tanto o primeiro dispositivo de comutação 58 quanto o segundo dispositivo de comutação 60 conduzem a corrente. Essa sequência de sinais de portão fornecida aos dispositivos de comutação 58, 60, 62 pelo controlador 68 - sendo que o primeiro dispositivo de comutação 58 e o segundo dispositivo de comutação 60 estão no estado LIGADO e o terceiro dispositivo de comutação 62 está no estado DESLIGADO - é ilustrada na Figura 4 durante um período 74. Dentro desse estado dos dispositivos de comutação 58, 60, 62 do conversor CC-CC 10, conforme implantado pelo controlador 68, tanto a tensão Va como Vb são iguais a V1, conforme mostrado de acordo com a Figura 5B.
[029] A Figura 5C apresenta o modo operacional quando tanto o primeiro quanto o segundo dispositivos de armazenamento de energia 16, 18 são desconectados do barramento CC 56 quando o segundo dispositivo de comutação 60 e o terceiro dispositivo de comutação 62 conduzem a corrente. Essa sequência de sinais de portão fornecida aos dispositivos de comutação 58, 60, 62 pelo controlador 68 - sendo que o segundo dispositivo de comutação 60 e o terceiro dispositivo de comutação 62 estão no estado LIGADO e o primeiro dispositivo de comutação 58 está no estado DESLIGADO - é ilustrada na Figura 4 durante um período 76. Dentro desse estado dos dispositivos de comutação 58, 60, 62 do conversor CC-CC 10, conforme implantado pelo controlador 68, tanto a tensão Va como a tensão Vb são iguais a 0, conforme mostrado pela Figura 5C.
[030] A fim de otimizar o desempenho do conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10, outros esquemas de comutação podem ser iguaimente aplicados. Por exemplo, caso o conversor CC-CC 10 se encontre no modo de intensificação e somente o segundo dispositivo de armazenamento de energia 18 se encontre em operação, o sinal de portão do primeiro dispositivo de comutação 58 e o segundo dispositivo de comutação 60 podem ser desligados com o terceiro dispositivo de comutação 62 dentro de um ciclo de tarefa desejado. Além disso, caso o conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 se encontre no modo de intensificação e somente o primeiro dispositivo de armazenamento de energia 16 se encontre em operação, o sinal de portão do primeiro dispositivo de comutação 58 pode ser desligado com o segundo dispositivo de comutação 60 e o terceiro dispositivo de comutação 62 dentro do mesmo ciclo de tarefa desejado. Além desses esquemas de comutação adicionais descritos para o modo operacional de intensificação do conversor CC-CC, deve-se reconhecer que esquemas de comutação similares podem ser aplicados ao modo de operação de neutralização. Através da realização dessas otimizações, a perda de comutação pode ser reduzida.
[031] Proveitosamente, a estratégia de modulação 70 implantada pelo controlador 68 permite que as regulagens da tensão/potência de portas diferentes (ou seja, os portas/canais de entrada 38, 46 e o porta/canal de saída 54) sejam independentes umas das outras. A alocação de potência e a integração das múltiplas cargas/fontes de energia 16, 18, 20 podem ser dotadas de capacidade de controle total.
[032] Embora a estrutura de um conversor CC-CC de três portas e a operação do mesmo através do controlador 68 tenha sido descrita anteriormente especificamente em relação ao conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 da Figura 1, deve-se reconhecer que o conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador 12 da Figura 2 e o conversor CC-CC de três portas do tipo neutralizador 14 da Figura 3 são essencialmente iguais em construção e em operação, somente com pequenas variações. Em relação ao conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador 12 da Figura 2, pode-se observar que o primeiro dispositivo de comutação 58 está na forma de um diodo unidirecional 66 (em vez de um módulo de meia fase, como no conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador da Figura 1). Em relação ao conversor CC-CC de três portas do tipo neutralizador 14 da Figura 3, pode-se observar que o terceiro dispositivo de comutação 62 está na forma de um diodo unidirecional 66 (em vez de um módulo de meia fase, como o conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador da Figura 1). Operacionalmente, os dispositivos de comutação 58, 60, 62 em cada um dentre o conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador 12 da Figura 2 e o conversor CC-CC de três portas do tipo neutralizador 14 da Figura 3 devem ser controlados de uma maneira similar àquela descrita no controlador 68 com determinadas modificações.
[033] Deve-se reconhecer que as realizações dos três conversores CC-CC de três portas 10, 12, 14 apresentadas e descritas nas Figuras 1 a 3 - e o controle dos mesmos descritos em relação às Figuras 4 e 5A a 5C - são utilizáveis com disposições diferentes de fontes e cargas, e que outras configurações são possíveis em relação às topologias CC-CC propostas ao integrar diferentes cargas/fontes. Em relação a um conversor CC-CC de três portas do tipo intensificador-neutralizador 10 bidirecional, como exemplo, a Figura 6 ilustra uma configuração 80 em que as fontes/cargas são fornecidas em um lado do conversor. Além disso, as fontes/cargas de energia também podem ser posicionadas diretamente no enlace CC de alta tensão, como pode ser feito, por exemplo, em veículos elétricos híbridos. Deve-se reconhecer adicionalmente que as configurações 80, 82, 84, 86 da Figura 6 e das Figuras 7 a 8 também podem ser aplicadas aos conversores CC-CC de três portas do tipo neutralizador e aos conversores CC-CC de três portas do tipo intensificador.
[034] Proveitosamente, as realizações da invenção fornecem um conversor CC-CC de três portas conectável a múltiplas fontes e cargas de energia para alocação de potência entre as mesmas. O conversor CC-CC inclui uma disposição de três dispositivos de comutação no mesmo e um caminho de corrente compartilhada, de modo que o número total de dispositivos de comutação no conversor seja menor do que aquele encontrado tipicamente em uma disposição em paralelo ou em série de dois conversores CC-CC de duas portas. Consequentemente, em comparação às disposições existentes de conversores da técnica CC-CC de duas entradas, o número de dispositivos de comutação no conversor CC-CC de três portas é reduzido em 25%. Portanto, o tamanho e o peso do conversor podem ser reduzidos. Além disso, em função do caminho de corrente compartilhada, um modelo de módulo de dispositivo padrão pode ser implantado com esquemas de dimensionamento diferentes das fontes/cargas de energia híbrida com o mesmo total de esquemas de fontes/cargas de energia híbrida com o mesmo total de potência nominal. Portanto, tem-se um modelo de sistema de fonte/carga muito mais flexível e com a redução do custo de fabricação do novo produto. A perda por condução do sistema também pode ser reduzida em uma determinada faixa operacional devido aos dispositivos de corrente nominal mais elevada usados na topologia.
[035] De acordo com uma realização da invenção, um conversor CC-CC de três portas inclui uma disposição de dispositivos de comutação que consiste em um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação. O conversor CC-CC de três portas também inclui um par de canais de entrada que fornece corrente à disposição de dispositivos de comutação, sendo que o par de canais de entrada é conectado e recebe ou envia potência a partir de ou para uma pluralidade de cargas e fontes de energia. O conversor CC-CC de três portas inclui adicionalmente um canal de saída que emite uma potência controlada a partir do conversor CC-CC de três portas ou para o mesmo. O primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação são controlados seletivamente para fornecer uma potência controlada ao canal de saída a partir da pluralidade de cargas e fontes de energia conectadas aos canais de entrada.
[036] De acordo com uma realização da invenção, um conversor CC-CC de três portas inclui uma disposição de dispositivos de comutação de um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação. O conversor CC-CC de três portas também inclui um par de canais de entrada que fornecem corrente para a disposição de dispositivos de comutação, sendo que o par de canais de entrada é conectado e recebe e envia potência a partir de ou para uma pluralidade de cargas e fontes de energia. O conversor CC-CC de três portas inclui adicionalmente um canal de saída que emite uma potência controlada a partir do conversor CC-CC de três portas ou para o mesmo. O primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação são controlados seletivamente para fornecer uma potência controlada ao canal de saída a partir da pluralidade de cargas e fontes de energia conectadas aos canais de entrada.
[037] De acordo com ainda outra realização da invenção, um sistema de múltiplas fontes de energia inclui uma conexão de corrente contínua (CC), uma carga acoplada ao enlace CC e configurada para receber energia advinda do enlace CC, um conversor CC-CC de três portas que compreende um canal de saída acoplado ao enlace CC e que compreende o primeiro e o segundo canais de entrada, uma primeira fonte de energia acoplada ao primeiro canal de entrada do conversor CC-CC de três portas e uma segunda fonte de energia acoplada ao segundo canal de entrada do conversor CC-CC de três portas. O conversor CC-CC de três portas inclui adicionalmente uma disposição de dispositivos de comutação que consiste em um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação, e um controlador em comunicação operável com a disposição de dispositivos de comutação para operar seletivamente cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação em um estado LIGADO e um estado DESLIGADO. O controlador é programado para operar seletivamente cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação em um estado LIGADO ou DESLIGADO de forma a controlar o fluxo de corrente entre a primeira e a segunda fontes de energia e o canal de saída.
[038] Este relatório descritivo faz uso de exemplos para revelar da invenção, incluindo o melhor modo, e também para possibilitar que qualquer indivíduo versado na técnica pratique a invenção, incluindo a criação e o uso de quaisquer dispositivos ou sistemas e a realização de quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorrem àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estar dentro do escopo das reivindicações, caso os mesmos incluam elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.
[039] Embora a invenção tenha sido descrita em detalhes em combinação somente com uma quantidade limitada de realizações, deve-se entender prontamente que a invenção não está limitada a tais realizações descritas. Preferivelmente, a invenção pode ser modificada de modo a incorporar qualquer quantidade de variações, alterações, substituições ou disposições equivalentes não descritas anteriormente, mas que são compatíveis com o espírito e escopo da invenção. Adicionalmente, embora diversas realizações da invenção tenham sido descritas, deve-se entender que os aspectos da invenção podem incluir somente algumas das realizações descritas. Consequentemente, a invenção não deve ser interpretada como limitada pela descrição supracitada, mas limitada somente pelas reivindicações anexas.
Reivindicações

Claims (20)

1. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, caracterizado pelo fato de que compreende: uma disposição de dispositivos de comutação que consiste em um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação; um par de canais de entrada que fornecem corrente para a disposição de dispositivos de comutação, sendo que o par de canais de entrada é conectado e recebe ou envia potência a partir de ou para uma pluralidade de cargas e fontes de energia; e um canal de saída que emite uma potência controlada a partir do conversor CC-CC de três portas ou para o mesmo; em que o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação são controlados de modo seletivo para fornecer uma potência controlada ao canal de saída a partir da pluralidade de cargas e fontes de energia conectadas aos canais de entrada.
2. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada par de canais de entrada inclui um indutor no mesmo.
3. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um controlador em comunicação operável com a disposição de dispositivos de comutação para operar seletivamente cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação em um dentre um estado conduzido e um estado não conduzido.
4. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de cargas e fontes de energia compreende uma primeira fonte de energia e uma segunda fonte de energia, sendo que a primeira fonte de energia é conectada a um dentre o par de canais de entrada, e a segunda fonte de energia é conectada ao outro dentre o par de canais de entrada.
5. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que uma tensão da primeira fonte de energia é inferior a uma tensão da segunda fonte de energia.
6. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o controlador é programado para operar o primeiro dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação no estado conduzido para fazer com que a corrente flua entre a primeira fonte de energia e o canal de saída.
7. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o controlador é programado para operar o primeiro dispositivo de comutação e o segundo dispositivo de comutação no estado conduzido fazendo com que a potência flua entre tanto a primeira quanto a segunda fontes de energia e o canal de saída.
8. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o controlador é programado para operar o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação no estado conduzido para desconectar tanto a primeira quanto a segunda fontes de energia do canal de saída.
9. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a operação seletiva de cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação através do controlador fornece um caminho de corrente compartilhada entre uma pluralidade de cargas e fontes de energia e o canal de saída.
10. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação compreende um módulo de meia fase que inclui um comutador e um diodo que formam um par de comutador/diodo, de modo que o conversor CC-CC de três portas seja um conversor neutralizador-intensificador bidirecional.
11. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dois dispositivos de comutação da disposição de dispositivos de comutação compreendem um módulo de meia fase que inclui um comutador e um diodo que formam um par de comutador/diodo, e o outro dentre a disposição de dispositivos de comutação compreende um diodo para controlar um fluxo de corrente em uma direção, de modo que o conversor CC-CC de três portas seja um conversor intensificador ou um conversor neutralizador.
12. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de cargas e fontes de energia compreende tanto: fontes de energia fornecidas tanto em um lado de baixa tensão quanto em um lado de alta tensão do conversor CC-CC de três portas, de modo que o conversor CC-CC de três portas entregue potência a partir das fontes de energia para as cargas em um modo de geração; quanto cargas fornecidas tanto junto a um lado de baixa tensão ou em um lado de alta tensão do conversor CC-CC de três portas, de modo que o conversor CC-CC de três portas forneça com potência fornecida pelas cargas para as fontes de energia quando operando em um modo regenerativo.
13. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS caracterizado pelo fato de que compreende: um primeiro circuito de conversão de tensão que inclui: um indutor; um par de dispositivos de comutação acoplados ao indutor; um segundo circuito de conversão de tensão que inclui: um indutor; um par de dispositivos de comutação acoplados ao indutor; e um primeiro canal de entrada e um segundo canal de entrada conectados ao primeiro e ao segundo circuitos de conversão de tensão, respectivamente, sendo que cada um dos canais de entrada fornece potência para respectivo circuito de conversão de tensão do mesmo a partir de uma ou mais cargas ou fontes de energia conectadas ao mesmo; em que o par de dispositivos de comutação no primeiro circuito de conversão de tensão e o par de dispositivos de comutação no segundo dispositivo de comutação são formados a partir de uma disposição de um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação, sendo que o primeiro e o segundo circuitos de conversão de tensão têm um caminho de corrente compartilhada entre um canal de saída do conversor CC-CC de três portas.
14. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um controlador em comunicação operável com o primeiro e o segundo circuitos de conversão de tensão para operar seletivamente cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação em um dentre um estado LIGADO e um estado DESLIGADO.
15. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o controlador é programado para operar seletivamente cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação em um dentre o estado LIGADO e o estado DESLIGADO de modo a: fazer com que a potência flua entre a carga ou fonte de energia no primeiro canal de entrada e no canal de saída; fazer com que a potência flua entre a carga ou fonte de energia tanto no primeiro quanto no segundo canais de entrada e no canal de saída; ou desconectar a carga ou fonte de energia tanto no primeiro quanto no segundo canais de entrada do canal de saída.
16. CONVERSOR CC-CC DE TRÊS PORTAS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação compreende um dentre: um módulo de meia fase que inclui um comutador e um diodo que formam um par comutador/diodo que fornece um fluxo de corrente bidirecional; ou um diodo que permite o fluxo de corrente em somente uma direção.
17. SISTEMA DE MÚLTIPLAS FONTES DE ENERGIA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma conexão de corrente contínua (CC); uma carga acoplada ao enlace CC e configurada para receber energia a partir do enlace CC; um conversor CC-CC de três portas que compreende um canal de saída acoplado ao enlace CC e que compreende o primeiro e o segundo canais de entrada; uma primeira fonte de energia acoplada ao primeiro canal de entrada do conversor CC-CC de três portas; e uma segunda fonte de energia acoplada ao segundo canal de entrada do conversor CC-CC de três portas; em que o conversor CC-CC de três portas compreende adicíonalmente: uma disposição de dispositivos de comutação que consiste em um primeiro dispositivo de comutação, um segundo dispositivo de comutação e um terceiro dispositivo de comutação; e um controlador em comunicação operável com a disposição de dispositivos de comutação para operar seletivamente cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação em um estado LIGADO e um estado DESLIGADO; sendo que o controlador é programado para operar seletivamente cada um dentre o primeiro dispositivo de comutação, o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação, em um dentre o estado LIGADO e o estado DESLIGADO de modo a controlar o fluxo de corrente entre a primeira e segunda fontes de energia e o canal de saída.
18. SISTEMA DE MÚLTIPLAS FONTES DE ENERGIA, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que, no controle de fluxo de corrente entre a primeira e segunda fontes de energia e o canal de saída, o controlador é programado adicionalmente para operar o primeiro dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação no estado LIGADO para fazer com que a potência flua entre a primeira fonte de energia e o canal de saída.
19. SISTEMA DE MÚLTIPLAS FONTES DE ENERGIA, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que, no controle de fluxo de corrente entre a primeira e segunda fontes de energia e o canal de saída, o controlador é programado adicionalmente para operar o primeiro dispositivo de comutação e o segundo dispositivo de comutação no estado LIGADO para fazer com que a potência flua entre tanto a primeira quanto a segunda fontes de energia e o canal de saída.
20. SISTEMA DE MÚLTIPLAS FONTES DE ENERGIA, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que, no controle do fluxo de corrente entre a primeira e a segunda fontes de energia e o canal de saída, o controlador é programado adicionalmente para operar o segundo dispositivo de comutação e o terceiro dispositivo de comutação no estado LIGADO para desconectar tanto a primeira quanto a segunda fontes de energia do canal de saída.
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