BR112020007129A2

BR112020007129A2 - carregador de bateria de veículo elétrico

Info

Publication number: BR112020007129A2
Application number: BR112020007129-3A
Authority: BR
Inventors: Hani VAHEDI; Marc-André FORGET
Original assignee: Ossiaco Inc.
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-09-24
Also published as: CN111226371A; IL273921A; EP4027483A1; MX2020003653A; AU2018349094B2; JP7428638B2; EP3695483A1; KR102442605B1; CN118199231A; KR20220127370A; WO2019071359A1; AU2024201758A1; IL313549A; CA3076689A1; MA50769A; AU2018349094A1; IL313556A; KR20200067187A; JP2020537474A; JP2024042027A

Abstract

Trata-se de um carregador de bateria com capacidade de receber potência de CA monofásica e entregar tanto potência de CA quanto de CC a uma bateria de armazenamento de energia elétrica de acordo com diferentes modalidades reveladas no presente documento. Uma entrada de CA recebe potência monofásica de uma entrada elétrica, um comutador é conectado à entrada de CA que se conecta adicionalmente tanto a uma saída de CA como a um conversor de potência que responde a um valor de tensão de carga e um valor de corrente de carga desejado para converter potência a uma tensão de CC variável em uma corrente variável que não excede um valor de corrente de carga desejado para uma carga de CC. O conversor de potência tem pelo menos um capacitor de alta tensão para armazenar potência em uma tensão intensificada acima de uma tensão de pico da entrada de CA.

Description

“CARREGADOR DE BATERIA DE VEÍCULO ELÉTRICO”

[0001] O presente pedido reivindica prioridade do pedido de patente provisório nº U.S. 62/660.530 depositado em 20 de abril de 2018, cujo relatório descritivo é incorporado a este documento a título de referência.

CAMPO DA TÉCNICA

[0002] O presente refere-se ao campo de sistemas de carregamento de bateria tais como são usados em, por exemplo, veículos elétricos. O presente também se refere ao campo de conversores de potência tais como retificadores que operam em tensão e potência residencial.

ANTECEDENTES

[0003] Esta seção é se destina a fornecer uma base ou contexto para a invenção que é citada nas reivindicações. A descrição no presente documento pode incluir conceitos que seriam buscados, porém, não necessariamente aqueles que foram concebidos ou buscados anteriormente. Portanto, a menos que indicado de outro modo no presente documento, o que é descrito nessa seção não é uma técnica anterior às descrições e às reivindicações neste pedido e não é admitido como técnica anterior através da inclusão nessa seção.

[0004] Atualmente, um veículo elétrico (VE) compreende tipicamente um banco de bateria e sistema de carregamento de bateria. O banco de bateria tipicamente precisa de entrada de corrente contínua (CC) para carregar as baterias. Para essa finalidade, um circuito de carregamento a bordo é fornecido que converte potência de CA tipicamente encontrada na casa a uma entrada de CC para o banco de bateria. O que é tipicamente conhecido como carregamento de “nível 1” e “nível 2”, o sistema de carregamento de bateria é dotado de potência de corrente doméstica, ou de outro modo, alternada, que a mesma converte para CC de modo a alimentar o banco de bateria. O carregamento de nível 1 e nível 2 principalmente se diferem pela quantidade de potência suprida e algumas vezes também pela tensão.

[0005] Carregamento de "nível 3" geralmente se refere a carregamento de CC, que pode envolver corrente CC em alta potência, por exemplo, tensões acima de 350V e altas correntes causando potências de carregamento que são tipicamente acima de

15 kW e chegam em até 160kW. Estações de carregamento de Nível 3 são estações de carregamento comercial que buscam carregar VEs o mais rápido possível. Com baterias de VE de corrente, carregamento muito rápido pode ser alcançado em até cerca de 75% a 80% da capacidade de carga da bateria. Com algumas baterias de VE, carregamento de 15% a 80% da capacidade da bateria pode ser realizado dentro de 15 a 20 minutos de carregamento de alta potência. Após esse ponto, o carregamento é muito lento, por exemplo, o mesmo pode tomar várias horas para elevar o nível de carga de 80% a 99%. Normalmente, o consumidor será encorajado a deixar a estação de carregamento de modo que outros consumidores possam carregar seus veículos. Tal rápido carregamento é conveniente para operações de estação de carregamento comerciais; no entanto, o mesmo pode encurtar a expectativa de vida de algumas baterias de VE a serem submetidas a tal carregamento de alta potência. Por exemplo, isso pode ser preferencial em termos de expectativa de vida de bateria para permitir 2 horas para carregar uma bateria de 15% a 80% de capacidade em vez de 20 minutos.

[0006] A potência de CC para tal carregamento é suprida de alimentadores de potência trifásica que são normalmente disponibilizados às instalações comerciais e não residências. A potência elétrica de CA trifásica pode ser eficientemente convertida em CC. Tipicamente, esse tipo de carregamento é indisponível em residências onde potência disponível é também tipicamente limitada a abaixo de 60 kW. Em determinados lugares, por exemplo, o suprimento de potência ao painel residencial pode ser limitado em 200A em 240V (RMS), gerando uma potência total disponível, para todo o uso doméstico, de 48kW. Fornecendo-se tal limite de potência com uso de um disjuntor principal, o transformador de distribuição local, que é frequentemente dimensionado com uso de pressupostos de “sobreinscrição”, é estatisticamente protegido contra sobrecarga como resultado de muitas residências extraindo potência demasiadamente. Além disso, o carregamento de nível 3, ao começar de uma fonte de corrente CA monofásica exige um circuito retificador, que é tipicamente não fornecido na casa devido a problemas de custos entre outras razões.

[0007] Sistemas de carregamento de carro residencial atuais se comportam essencialmente como um utensílio de alta potência, extraindo de, por exemplo, um pug secador de roupas. No carregamento de nível 2, a potência é tipicamente limitada a cerca de 7 kW ou menos que é uma carga comparável a um secador de roupas (30 amps em 240 V é 7,2 kW). A unidade de carregamento instalada na casa conecta a potência de CA principal ao veículo através de um disjuntor de modo que o conjunto de circuitos de conversão de CA para CC a bordo do veículo possa carregar a bateria do veículo.

[0008] A maioria dos veículos elétricos permitem “rápido” carregamento de CC em cujo caso o conversor de CA para CC é externo ao VE. Uma vantagem de carregamento de CC não é somente que a potência de carga pode ser maior do que a capacidade do conversor de CA para CC no veículo, mas também que a eficiência da conversão não é dependente do conversor fornecido pelo fabricante no tempo de criação do veículo. Se carregamento de CC pode ser disponibilizado eficientemente às residências, então equipamento de carregamento de nível 2 pesado e caro a bordo de veículos poderiam ser omitidos. Com consumo de potência de nível 2, a probabilidade de que carregamento do veículo fará com que a entrada elétrica residencial ou painel de circuito principal extraia mais do que seu orçamento de potência permitido (e, desse modo, fazer com que o circuito principal se desloque com o resultado de que o painel é desconectado do transformador de distribuição) é muito baixo. No entanto, quando uma carga maior do que 7 kW é adicionada à maioria dos painéis elétricos domésticos, e por uma duração de várias horas, o risco aumenta de que o orçamento de potência total do painel elétrico doméstico será excedido.

SUMÁRIO

[0009] Este pedido de patente fornece aprimoramentos complementares que podem ser aplicadas separadamente ou em combinação. O primeiro aprimoramento se refere a um retificador aprimorado usado no carregamento de CC. Em um aspecto, o retificador aprimorado tem um módulo de capacitor de alta tensão que é facilmente substituído dentro do carregador. Em outro aspecto, o carregador compreende uma arquitetura de placa posterior e lâmina que permite que a conversão de CA para CC seja distribuída através de vários módulos de lâmina de potência inferior de modo a usar módulos de lâmina fornecendo, cada um, menos do que cerca de 5 kVA de modo que a combinação de módulos de lâmina possa fornecer conversão de potência de mais do que 10 kVA (e preferencialmente mais do que 20 kVA) de potência de CA monofásica na saída de potência de carregamento de CC. O segundo aprimoramento se refere a um sistema de carregamento de bateria que permite que um nível de potência seja usado para carregamento de bateria que excederia o orçamento nominal da entrada elétrica se todas as cargas sem carregamento tiverem sido conectadas à entrada que extrai suas cargas ao mesmo tempo. Portanto, de acordo com o segundo aprimoramento, uma previsão baseada em tempo de consumo de potência de carga sem carregamento é realizada com base em modelagem e/ou monitoramento de histórico de consumo de potência de carga sem carregamento. Um terceiro aprimoramento se refere a um conversor de potência que tem um módulo de programa de potência de carregamento com uma interface de entrada de usuário para receber entrada de usuário que define parâmetros de agressividade de carregamento, em que o módulo de programa de potência de carregamento controla um nível de corrente ao longo do tempo em resposta aos parâmetros de agressividade de carregamento. Um quarto aprimoramento se refere a um conector do tipo soquete para remover e substituir um capacitor de alta tensão de um conversor de potência. Um quinto aprimoramento se refere a um conversor de potência que tem um circuito com capacidade de operar em estados bidirecionais significando, adicionalmente a fornecer capacidades de carregamento de CC com uma entrada de CA como um retificador, o mesmo tem capacidade de converter tensão/corrente de CC a CA como um inversor, portanto, fornecendo uma saída de CA de uma bateria de CC de um veículo elétrico.

[0010] Em algumas modalidades, um carregador de bateria converte potência de CA monofásica e entrega potência de CC a uma bateria de armazenamento de energia elétrica. Uma entrada de CA recebe potência monofásica de uma entrada elétrica 3, um comutador é conectado à entrada de CA e responde a um valor de tensão de carga e um valor de corrente de carga desejado para converter potência a uma tensão de CC variável em uma corrente variável que não excede um valor de corrente de carga desejado para uma carga de CC. O conversor de potência tem pelo menos um capacitor de alta tensão para armazenar potência em uma tensão intensificado acima de uma tensão de pico da entrada de CA.

[0011] Em algumas modalidades, o circuito de carregador pode operar em estados bidirecionais significando, o mesmo tem capacidade de converter tensão/corrente CA a CC como um retificador ou de CC a CA como um inversor, portanto, fornecendo uma saída de CA de uma bateria de CC de um veículo elétrico.

[0012] Em um aspecto da presente revelação, o circuito de carregador pode funcionar somente como um retificador em um modo unidirecional para converter tensão de CA a CC como um carregador unidirecional substituindo-se os dois comutadores de alta tensão conectados entre o primeiro terminal e respectivas extremidades opostas do capacitor de alta tensão no circuito de carregador com dois diodos.

[0013] Portanto, o conversor do carregador de bateria que funciona no retificador ou modo de inversor pode ser denominado respectivamente como o retificador de carregador de bateria ou inversor de carregador de bateria.

[0014] Em algumas modalidades, o carregador de bateria revelado no presente documento tem um alojamento com uma entrada de CA para receber potência monofásica de uma entrada elétrica, uma saída de CA, e uma saída de CC em que um comutador conecta a entrada de CA à saída de CA. O comutador é também conectado a uma placa posterior que tem um ou mais conectores de módulo adaptados para receber um ou mais módulos de conversor de potência de CC. No modo de CA, o comutador é fechado e conecta a entrada de CA à saída de CA fornecendo a bateria de armazenamento de energia elétrica com uma corrente de CA. No modo de CC, o comutador é aberto conectando a entrada de CA aos módulos de conversor de potência de CC fornecendo uma corrente CC à saída de CC.

[0015] Em uma modalidade, o carregador tem conectores de módulo adaptados para receber um ou mais módulos de conversor de potência de CC, mas não tem os módulos de conversor de potência de CC originalmente instalados dentro do alojamento fornecendo ao usuário um carregador de bateria de VE de nível 2. Os módulos de conversor de potência de CC podem ser adicionados em um tempo posterior ao carregador para atualizar o mesmo a um carregador de VE de CC de nível 3.

[0016] Em outro aspecto, a presente invenção fornece uma unidade de carregamento de CC portátil para uso para veículos elétricos. A unidade portátil de CC que compreende um alojamento que tem uma placa posterior de conector que tem vários soquetes para receber pelo menos um módulo que compreende um circuito retificador de bateria, uma entrada de CA para receber corrente CA de uma fonte de CA, e uma saída de CC que se conecta ao veículo elétrico através de um cabo de CC.

[0017] Em outro aspecto amplo, a presente revelação fornece um conversor de potência conectado a uma entrada de CA que converte potência da entrada de CA para CC que compreende pelo menos um capacitor de alta tensão para armazenar potência em uma tensão intensificada acima de uma tensão de pico da entrada de CA, um circuito retificador. O retificador compreende um indutor conectado em série com a entrada de CA, um capacitor de baixa tensão, e tanto dois diodos conectados entre ou alternativamente dois comutadores de alta tensão conectados entre um primeiro terminal de entrada de CA e extremidades opostas do capacitor de alta tensão, dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários conectados entre a extremidade oposta do capacitor de alta tensão e as extremidades opostas do capacitor de baixa tensão, e dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal conectados entre as extremidades opostas do capacitor de baixa tensão e um segundo terminal de CA, em que uma carga de CC pode ser conectada às extremidades opostas do capacitor de alta tensão. O conversor de potência compreende adicionalmente um controlador que tem pelo menos um sensor para captar corrente e/ou tensão no circuito retificador e conectado a uma entrada de porta dos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e dos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal.

[0018] Em algumas modalidades, o controlador é operativo para fazer com que o circuito retificador opere em modo intensificado em que uma tensão do capacitor de alta tensão é maior do que uma tensão de pico da entrada de CA, e os dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal são comutados com estados de comutação redundante em resposta a uma medição de uma tensão presente no capacitor de baixa tensão de modo a manter o capacitor de baixa tensão em uma fração predeterminada de uma tensão desejada para o capacitor de alta tensão e para manter desse modo o capacitor de alta tensão em uma alta tensão desejada, com o circuito retificador suprindo a carga de CC e absorvendo potência como um retificador ativo de cinco níveis com baixa harmônica na entrada de CA.

[0019] Em algumas modalidades, o conversor de potência em vez de um circuito retificador tem um circuito retificador/inversor bidirecional e dois controladores em vez de um para poder funcionar de modo bidirecional como um retificador e inversor. O circuito retificador/inversor bidirecional compreende um indutor conectado em série com uma porta de CA, um capacitor de baixa tensão, dois comutadores de potência de alta tensão conectado entre um primeiro terminal de CA e extremidades opostas do capacitor de alta tensão, dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários conectados entre a extremidade oposta do capacitor de alta tensão e as extremidades opostas do capacitor de baixa tensão, e dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal conectado entre as extremidades opostas do capacitor de baixa tensão e um segundo terminal de CA; em que uma porta de CC pode ser conectada às extremidades opostas do capacitor de alta tensão. O conversor de potência compreende um primeiro controlador para um modo de retificador que tem pelo menos um sensor para captar corrente e/ou tensão no retificador/inversor bidirecional e conectado a uma entrada de porta dos dois comutadores de potência de alta tensão, os dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal para fazer com que o circuito retificador opere em modo intensificado em que uma tensão do capacitor de alta tensão é maior do que uma tensão de pico da dita entrada de CA, e os dois comutadores de potência de alta tensão são controlados para ligar e desligar em uma frequência da entrada de CA, e os dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal são comutados com estados de comutação redundante em resposta a uma medição de uma tensão presente no capacitor de baixa tensão de modo a manter o capacitor de baixa tensão em uma fração predeterminada de uma tensão desejada para o capacitor de alta tensão e para manter desse modo o capacitor de alta tensão em uma alta tensão desejada, com o circuito retificador suprindo a carga de CC e absorvendo potência como um retificador ativo de cinco níveis com baixa harmônica na entrada de CA. O conversor de potência também tem um segundo controlador para um modo de inversor conectado aos dois comutadores de potência de alta tensão, os dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal e configurados para gerar e se aplicar aos dois comutadores de potência de alta tensão, sendo que as formas de onda dos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e dos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal compreendem um primeiro sinal de controle para fazer com que o capacitor de baixa tensão seja conectado em série com a porta de CC e a porta de CA e carregado a um valor predeterminado proporcional a uma Tensão da porta de CC, e um segundo sinal de controle para fazer com que o capacitor de baixa tensão seja desconectado da porta de CC e conectado em série com a porta de CA, fazendo assim com que o capacitor de baixa tensão seja descarregado.

[0020] Em um aspecto, a presente revelação fornece um carregador de bateria para converter potência de CA monofásica e para entregar potência de CC a uma bateria de armazenamento de energia elétrica. O carregador compreende uma entrada de CA para receber potência monofásica de uma entrada elétrica, uma interface de controlador de carregamento de bateria para se comunicar com a bateria de armazenamento de energia elétrica e receber um valor de tensão de carga e um valor de corrente de carga desejado, um conversor de potência conectado à entrada de CA e responsivo ao valor de tensão de carga e ao valor de corrente de carga desejado para converter potência da entrada de CA para CC em uma saída de CC em uma tensão variável de acordo com o valor de tensão de carga e em uma corrente variável que não excede o valor de corrente de carga desejado para uma carga de

CC, sendo que o conversor de potência compreende pelo menos um capacitor de alta tensão para armazenar potência em uma tensão intensificada acima de uma tensão de pico da entrada de CA.

O carregador é adicionalmente caracterizado por um dentre o seguinte: - Em algumas modalidades, o conversor de potência compreende um sensor de potência de entrada elétrica para medir a potência extraída pela entrada elétrica a partir de seu transformador de distribuição e um módulo de previsão de aumento de potência extraída que tem uma entrada para receber um valor da dita potência extraída e uma saída que fornece um valor de um maior salto provável de potência extraída na dita entrada elétrica, sendo que o conversor de potência é configurado para restringir a saída de nível de corrente pelo conversor de potência de modo a evitar que a potência extraída pela entrada elétrica exceda um limite predefinido caso o maior salto provável de potência extraída ocorra. - Em algumas modalidades, o conversor de potência compreende um módulo de programa de potência de carregamento que tem uma interface de entrada de usuário para receber entrada de usuário que define parâmetros de agressividade de carregamento, em que o módulo de programa de potência de carregamento controla o nível de corrente ao longo do tempo em resposta aos parâmetros de agressividade de carregamento. - Em alguma modalidade, o carregador compreende adicionalmente um conector do tipo soquete para remover e substituir o capacitor de alta tensão do conversor de potência. - Em algumas modalidades, o conversor de potência compreende um indutor conectado em série com a entrada de CA, um capacitor de baixa tensão, dois comutadores de potência de alta tensão conectado entre um primeiro terminal de entrada de CA e extremidades opostas do capacitor de alta tensão, dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários conectados entre a extremidade oposta do capacitor de alta tensão e as extremidades opostas do capacitor de baixa tensão, e dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal conectado entre as extremidades opostas do capacitor de baixa tensão e um segundo terminal de CA; em que uma carga de CC pode ser conectada às extremidades opostas do capacitor de alta tensão. O conversor de potência também compreende um controlador que tem pelo menos um sensor para captar corrente e/ou tensão no circuito retificador e conectado a uma entrada de porta dos dois comutadores de potência de alta tensão, os dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal para fazer com que o circuito retificador opere em modo intensificado em que uma tensão do capacitor de alta tensão é maior do que uma tensão de pico da entrada de CA, e os dois comutadores de potência de alta tensão são controlados para ligar e desligar em uma frequência da entrada de CA, e os dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal são comutados com estados de comutação redundante em resposta a uma medição de uma tensão presente no capacitor de baixa tensão de modo a manter o capacitor de baixa tensão em uma fração predeterminada de uma tensão desejada para o capacitor de alta tensão e para manter desse modo o capacitor de alta tensão em uma alta tensão desejada, com o circuito retificador suprindo a carga de CC e absorvendo potência como um retificador ativo de cinco níveis com baixa harmônica na entrada de CA, e um circuito conversor redutor para conversão descendente de potência de CC das extremidades opostas do capacitor de alta tensão a uma tensão de saída de CC inferior definida pelo valor de tensão de carga.

[0021] Em algumas modalidades, o carregador é caracterizado por um conversor de potência que compreende o seguinte:

um sensor de potência de entrada elétrica para medir a potência extraída pela entrada elétrica a partir de seu transformador de distribuição e um módulo de previsão de aumento de potência extraída que tem uma entrada para receber um valor da dita potência extraída e uma saída que fornece um valor de um maior salto provável de potência extraída na dita entrada elétrica, sendo que o conversor de potência é configurado para restringir a saída de nível de corrente pelo conversor de potência de modo a evitar que a potência extraída pela entrada elétrica exceda um limite predefinido caso o maior salto provável de potência extraída ocorra; e a) um indutor conectado em série com a entrada de CA, um capacitor de baixa tensão, dois comutadores de potência de alta tensão conectado entre um primeiro terminal de entrada de CA e extremidades opostas do capacitor de alta tensão, dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários conectados entre a extremidade oposta do capacitor de alta tensão e extremidades opostas do capacitor de baixa tensão, e dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal conectado entre as extremidades opostas do capacitor de baixa tensão e um segundo terminal de CA; em que uma carga de CC pode ser conectada às extremidades opostas do capacitor de alta tensão; b) um controlador que tem pelo menos um sensor para captar corrente e/ou tensão no circuito retificador e conectado a uma entrada de porta dos dois comutadores de potência de alta tensão, os dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal para fazer com que o circuito retificador opere em modo intensificado em que uma tensão do capacitor de alta tensão é maior do que uma tensão de pico da dita entrada de CA, e os dois comutadores de potência de alta tensão são controlados para ligar e desligar em uma frequência da entrada de CA, e os dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal são comutados com estados de comutação redundante em resposta a uma medição de uma tensão presente no capacitor de baixa tensão de modo a manter o capacitor de baixa tensão em uma fração predeterminada de uma tensão desejada para o capacitor de alta tensão e para manter desse modo o capacitor de alta tensão em uma alta tensão desejada, com o circuito retificador suprindo a carga de CC e absorvendo potência como um retificador ativo de cinco níveis com baixa harmônica na entrada de CA; e c) um circuito conversor redutor para conversão descendente de potência de CC das extremidades opostas do capacitor de alta tensão a uma tensão de saída de CC inferior definido pelo valor de tensão de carga.

[0022] Em algumas modalidades, o carregador também tem uma interface de rede para receber entrada de usuário que compreende uma interface de usuário de dispositivo remoto conectada à interface de rede.

[0023] Em uma modalidade, o conversor de potência compreende o módulo de programa de potência de carregamento, e os parâmetros de agressividade de carregamento definem um limite de corrente de carregamento superior para carregar o veículo. Em um exemplo, o módulo de programa de potência de carregamento registra um histórico de corrente de carregamento de modo que uma avaliação de degradação de bateria possa ser realizada.

[0024] Em algumas modalidades, o carregador é caracterizado pelo conversor de potência que compreende um sensor de potência de entrada elétrica para medir a potência extraída pela entrada elétrica de seu transformador de distribuição e um módulo de previsão de aumento de potência extraída que tem uma entrada para receber um valor da potência extraída e uma saída que fornece um valor de um maior salto provável na potência extraída na entrada elétrica, sendo que o conversor de potência é configurado para restringir a saída de nível de corrente pelo conversor de potência de modo a evitar que a potência extraída pela entrada elétrica exceda um limite predefinido caso o maior salto provável de potência extraída ocorra, compreendendo adicionalmente um comutador de carga descartável; em que o módulo de previsão de aumento de potência extraída é conectado ao comutador de carga descartável para desconectar temporariamente pelo menos uma carga deslocável conectável ao comutador de carga descartável quando o maior salto provável de curto prazo em potência extraída mostra um risco de exceder o limite predefinido, o módulo de previsão de aumento de potência extraída é configurado para reconectar a carga deslocável quando o módulo previsor de aumento de potência extraída determina que o risco a curto prazo de exceder o limite predefinido se atenuou.

[0025] São fornecidos sistemas, métodos e mais amplamente, tecnologia conforme descrito no presente documento e reivindicado abaixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0026] Os presentes exemplos serão mais bem entendidos em referência às ilustrações anexas que são as seguintes: A Figura 1 é uma ilustração esquemática da instalação física de um sistema de carregamento de VE doméstico que compreende um transformador de topo de polo, entrada elétrica residencial com uma carga sensor e um painel de disjuntor principal, um 240V potência de linha de CA entre o painel e um carregador, um cabo de carregador que se estende entre o carregador e um veículo elétrico (VE) com conexão de barramento de CAN entre o VE e o carregador; A Figura 2A mostra um diagrama de circuito de um conversor do carregador de bateria com um circuito de topologia de 5 níveis funcionando em um modo de retificador, de acordo com um exemplo particular de implantação; A Figura 2B mostra um diagrama de circuito de um circuito de topologia de 5 níveis do carregador de bateria da Figura 2A mostrando conectividade sob uma configuração de comutação chamada “Estado 2”; A Figura 2C mostra um diagrama de circuito de um circuito de topologia de 5 níveis do carregador de bateria da Figura 2A mostrando conectividade sob uma configuração de comutação chamada “Estado 3”; A Figura 2D mostra um diagrama de circuito de um circuito de topologia de 5 níveis de um carregador unidirecional/ retificador de acordo com um exemplo particular de implantação;

A Figura 2E mostra um diagrama de circuito de um conversor do carregador de bateria com um circuito de topologia de 5 níveis funcionando em um modo de inversor, de acordo com uma modalidade; A Figura 3A mostra um diagrama de blocos de um modulador com equilíbrio de tensão do conversor do carregador de bateria da Figura 1 funcionando em um modo de retificador; A Figura 3B mostra um gráfico de sinal mostrando uma técnica de modulação de largura de pulso de 4 portadoras usada no modulador da Figura 3A; A Figura 3C mostra um diagrama de circuito mostrando elementos de um controlador do conversor do carregador de bateria da Figura 1 funcionando em um modo de retificador; A Figura 3D mostra um diagrama de circuito mostrando elementos de um controlador do conversor do carregador de bateria da Figura 2E funcionando em um modo de inversor; A Figura 3E mostra elementos lógicos tanto do modulador quanto do circuito de seleção de estado para fornecer 8 sinais indicativos de respectivos estados com uso tanto de tensão quanto de retornos de corrente; A Figura 4 mostra um diagrama de blocos do conversor do carregador de bateria 1 da Figura 1 funcionando em um modo de retificador incluindo conjunto de circuitos de controlador; A Figura 5 mostra um gráfico de sinal que ilustra resultados de estado imediato do conversor do carregador de bateria da Figura 1 funcionando no modo de retificador em operação de 1 kW; A Figura 6 mostra uma captura de tela de um analisador de potência mostrando alguns parâmetros do conversor do carregador de bateria da Figura 1 funcionando no modo de retificador medido pelo analisador de potência; A Figura 7 mostra um gráfico de sinal que ilustra o desempenho do conversor do carregador de bateria da Figura 1 funcionando no modo de retificador durante uma mudança I a 50% da carga de CC; A Figura 8A é um diagrama de blocos que mostra um sistema de carregamento de bateria de conversor modular; A Figura 8B é um diagrama de blocos que mostra um carregador tanto com uma CA como com um sistema de carregamento de bateria de conversor modular; A Figura 8C é um diagrama de blocos que mostra uma modalidade de um carregador que tem um comutador conectado a sua placa posterior fornecendo uma saída de CA; A Figura 8D é um diagrama de blocos que mostra a Figura de modalidade 8C em que o comutador é substituído por um sistema de carregamento de bateria de conversor modular; A Figura 9 é um diagrama de blocos que mostra um controlador de orçamento de potência de carregamento; A Figura 10 é um diagrama esquemático de um conversor de potência módulo de acordo com uma modalidade; e A Figura 11 é um diagrama esquemático de um módulo de carregamento de CA de acordo com uma modalidade; A Figura 12 é uma ilustração esquemática da instalação física de um sistema de carregamento de VE portátil que inclui um cabo de carregador que se estende entre o carregador e um veículo elétrico (VE) tendo uma unidade retificadora de bateria entre o VE e o carregador; A Figura 13 é um diagrama de blocos que mostra o sistema de carregamento de VE portátil na Figura 12; A Figura 14A é uma ilustração esquemática de um compartimento para armazenar o sistema de carregamento de VE portátil tendo um receptor de acordo com um exemplo particular de implantação; A Figura 14B é uma ilustração esquemática de um compartimento para armazenar o sistema de carregamento de VE portátil que tem um receptor de acordo com um exemplo particular de implantação.

DESCRIÇÃO

[0027] Referência ao longo deste relatório descritivo a "uma (1) modalidade" e "uma modalidade" e linguagem similar significa que um determinado recurso, estrutura ou características descritas em conexão com uma modalidade está incluído em uma pelo menos uma (1) modalidade presente invenção. Desse modo, as aparições das frases “em uma (1) modalidade,” “em uma modalidade,” e linguagem similar por todo este relatório descritivo, pode, porém, não necessariamente, todos se referem à mesma modalidade.

[0028] Além disso, os recursos, as estruturas ou as características da invenção podem ser combinados em muitas maneiras adequadas em uma ou mais modalidades. Será evidente aos elementos versados na técnica que várias modificações e variações podem ser realizadas à presente invenção sem se afastar do escopo da invenção. Desse modo, pretende-se que a presente invenção cubra as modificações e variações desta invenção fornecida visto que as mesmas estão dentro do escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes. Será feita agora referência em detalhes às modalidades preferenciais da invenção.

[0029] Por todo este relatório descritivo, o termo “carregador de VE de Nível 2” se refere a um carregador de VE de CA monofásica e o termo “carregador de Nível 3 de VE” se refere a um carregador de VE de CC monofásica.

[0030] A Figura 1 ilustra o contexto físico de uma modalidade na qual a potência de distribuidores monofásica dividida é entregue de um transformador de topo de polo de serviço, visto que é o tipo mais comum de entrega de potência elétrica na América do Norte. O transformador recebe tipicamente a potência de 14,4 kV ou 25 kV monofásica de uma linha de distribuição e o transformador pode gerenciar aproximadamente 50 kVA a 167 kVA de potência entregue como fase dividida 240 VAC a um número pequeno de casas ou entradas elétricas. Cada entrada elétrica é tipicamente configurada para gerenciar entre 100 A a 200 A de potência em 240 VAC, a saber, cerca de 24 kVA a 48 kVA (o pressuposto comum é que 1 kVA é equivalente a 1 kW).

[0031] Será verificado que modalidades não são restringidas para dividir sistemas de potência de 240 VAC monofásica, e que as modalidades reveladas no presente documento podem ser adaptadas às redes de potência em uso que são fase única de qualquer tensão de CA existente entregue à entrada elétrica de casas ou negócios.

[0032] A entrada elétrica compreende tipicamente um medidor de uso, um circuito principal que tem uma classificação correspondente à carga permitida total (por exemplo, 100 A ou 200 A), e um painel que tem disjuntores para cada circuito doméstico que pode ser suprido com 240 VAC de potência ou 120 VAC de potência da entrada de 240 VAC de fase dividida. Embora a maior parte dos disjuntores tenha capacidades de entre 15 A a 30 A, alguns podem ser inferiores (a saber, 10 A) e alguns podem ser maiores, tais como 40 A, para utensílios grandes. Em alguns países, as entradas elétricas têm uma capacidade inferior, tal como 40 A a 60 A, e em países com 240 VAC em todos os circuitos domésticos, a potência não é de fase dividida, mas fase única regular 240 VAC (o nível de tensão usado pode variar de cerca de 100 V a 250 V).

[0033] Conforme ilustrado na Figura 1, o carregador é conectado a um disjuntor do painel principal através de um disjuntor que tem uma classificação de corrente maior, tal como 40 A a 80 A, embora o carregador revelado possa consumir até 100 A se for desejado. A necessidade de um disjuntor específico ao carregador é determinada por códigos elétricos. O cabo que conecta o carregador ao painel é classificado para tal alta corrente. A conexão ao painel elétrico pode ser um enrolamento fixo direto, ou um soquete de alta tensão pode ser instalado e conectado ao painel elétrico de modo que o carregador se conecte ao painel com uso de um cabo e plugue, por exemplo, aqueles que são similares a aqueles usados para utensílios como fornos ou secadores de roupa. O carregador é mostrado como conectado a um sensor de carga única que capta a carga extraída pelo painel inteiro incluindo o carregador. O carregador cabo pode ser um cabo e plugue de carregador convencional, conforme é conhecido na técnica.

[0034] A Figura 2A mostra um conversor do carregador de bateria 100 para um veículo elétrico de acordo com um exemplo particular de implantação. O circuito caracteriza uma topologia de Célula U empacotado de 5 níveis fornecendo um retificador ativo com correção de fator de potência. O carregador tem várias vantagens notáveis sobre outros tipos de conversor e caracteriza uma operação de modo intensificado o que permite saída de pico de supra-CA enquanto reduz ou elimina harmônica de corrente lateral de entrada.

[0035] O conversor do carregador de bateria 100 compreende uma entrada de CA 105, um filtro indutor 110 conectado em série com a entrada de CA 105, e um circuito de topologia de 5 níveis 115.

[0036] O filtro indutor 110 em seu exemplo não-limitador é um indutor de 2,5 mH. Para uma faixa típica de potência de 1 a 3 kW a ser entregue (durante todos os estados de carregamento de potência total à subpotência), um indutor de linha de 1mH forneceu resultados satisfatórios que estão em conformidade com os padrões existentes. Para maiores faixas de potência, a indutância pode ser reduzida; por exemplo, para uma classificação de potência de alta vatagem (por exemplo maior do que 2kW, e preferencialmente maior do que 3kW, e mais preferencialmente, aproximadamente 5kW), o filtro indutor 110 pode, em vez disso, usar um indutor de 500 pH. De modo conveniente, o presente projeto permite uma geometria pequena do conversor geral do carregador de bateria 100, devido, em parte, ao pequeno tamanho do filtro indutor 110. O filtro indutor 110 pode variar de acordo com o projeto conforme escolhido com base na aplicação, classificação de potência, harmônica de tensão de serviço, frequência de comutação, etc. Embora o tal filtro mais simples seja um indutor único, em modalidade alternativa, o filtro indutor 110 pode incluir uma combinação de indutor (ou indutores) e capacitor (ou capacitores), por exemplo, um indutor (por exemplo, de 2 mH) conectado a um capacitor (por exemplo, 30 µF), por si só conectado ao solo. A escolha do filtro tem um impacto no tamanho geral do projeto e perdas, com um filtro maior aumentando o tamanho do projeto geral e geralmente ocasionando em mais perdas.

[0037] O circuito de 5 níveis compreende um capacitor de alta tensão 120, pelo menos um capacitor de baixa tensão 125, dois comutadores de potência de alta tensão 130a, 130b conectados entre um primeiro terminal 135 e respectivas extremidades opostas 145a, 145b do capacitor de alta tensão 120, dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários 140a, 140b, cada um conectado entre os respectivos das duas extremidades opostas 145a, 145b do capacitor de alta tensão 120 e respectivas extremidades opostas 155a, 155b do capacitor de baixa tensão 125,

e dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal 150a, 150b cada um conectado entre uma segunda entrada terminal 160 e os respectivos das extremidades opostas 155a, 155b do capacitor de baixa tensão 125.

[0038] Os capacitores são denominados devido ao fato de que o capacitor de alta tensão 120 tem, em uso, uma tensão maior através do mesmo do que há através do capacitor de baixa tensão 125. Nesse exemplo particular, a tensão V o através do capacitor de alta tensão 120 é aproximadamente duas vezes a tensão V c através do capacitor de baixa tensão 125. No presente exemplo, o capacitor de alta tensão 120 e o capacitor de baixa tensão 125 são dispositivos diferentes, sendo que o capacitor de alta tensão 120 é um capacitor 2mF e o capacitor de baixa tensão é um capacitor 50µF. Para uma faixa típica de potência de 1 a 3 kW a ser entregue (durante todos os estados de carregamento de potência total à subpotência), uma combinação de um capacitor 2mF para o capacitor de alta tensão 120 e um capacitor de 100 µF para o capacitor de baixa tensão 125 gerou resultados satisfatórios que estavam em conformidade com os padrões existentes. Foi constatado que isso funciona quando com uso de um tempo de amostragem de 20 µs para o equilíbrio de tensão. Para um dispositivo de potência de 5kW, uma combinação de um capacitor 4mF para o capacitor de alta tensão 120 e um capacitor 200µF para o capacitor de baixa tensão 125 pode ser adequado, no entanto, pode ser possível usar capacitores menores aumentando-se a velocidade de amostragem realizada para equilíbrio de tensão e então alcançar cálculos mais precisos para equilíbrio de tensão. Isso pode ser alcançado com uso de um microprocessador mais rápido. Cada um dos capacitores pode ser capacitores eletrolíticos ou de filme, mas no presente exemplo, o capacitor de baixa tensão 125, que não é conectado à carga, é um capacitor de filme de alto tempo de vida. O capacitor de alta tensão 120 terá um tempo de vida menor e será provavelmente a causa de falha no circuito. Na modalidade ilustrada na Figura 10, o capacitor de alta tensão é, portanto, fornecido como um componente substituível, conforme será adicionalmente descrito em referência à Figura 10.

[0039] Naturalmente, é mais econômico usar capacitores que têm características que não excede suas necessidades, no entanto, nada evita o uso de capacitores idênticos tanto para o capacitor de alta tensão 120 quanto para o capacitor de baixa tensão 125, embora em tal caso, o capacitor de baixa tensão 125 seria sobre- especificado.

[0040] Os comutadores de potência de baixa tensão intermediários 140a, 140b e os comutadores de potência de baixa tensão de terminal 150a, 150b compõem em conjunto os comutadores de potência auxiliares. Assim como os capacitores, os comutadores de potência de alta tensão 130a, 130b e os comutadores de potência de baixa tensão são denominados devido ao fato de que comutadores de potência de alta tensão 130a, 130b têm, em uso, uma tensão maior através dos mesmos do que os comutadores de potência auxiliares. Além disso, de acordo com o presente projeto, os comutadores de potência de baixa tensão são comutadores de potência de alta- frequência, enquanto os comutadores de potência de alta tensão 130a, 130b são comutadores de baixa frequência. Novamente, os mesmos são denominados devido ao fato de que, em uso, os comutadores de alta frequência são operados/comutados em uma frequência mais alta do que os comutadores de baixa frequência. De fato, comutadores idênticos podem ser usados totalmente desde que os mesmos sejam adequados para a maior frequência aplicada aos comutadores de alta frequência e que os mesmos são adequados para a alta tensão aplicada através dos comutadores de alta tensão. No entanto, é preferencial fornecer comutadores que são adequados somente para seu uso destinado de modo a reduzir custos, assim como, potencialmente, tamanho e peso. Os comutadores podem ser todos dos tipos FET, JFET, IGBT e MOSFET.

[0041] O capacitor de baixa tensão 125 do circuito de 5 níveis 115 pode ser considerado um capacitor auxiliar que, em conjunto com os comutadores de potência auxiliares, compõe o conjunto de circuitos auxiliar 116 do circuito de 5 níveis 115. Conforme descrito no presente documento, o capacitor (ou capacitores) auxiliar adicional e par (ou pares) de comutadores pode ser fornecido no conjunto de circuitos auxiliar 116 em modalidades alternativas.

[0042] Os estados de comutação de circuito de 5 níveis 115 foram investigados para revelar os redundantes de modo a ajudar a equilibrar a tensão auxiliar de capacitor. O capacitor equilíbrio de tensão permite a produção de 5 níveis de tensão na entrada de retificador e reduzir a harmônica de tensão que afeta o conteúdo da harmônica de corrente diretamente. A tensão terminal de saída é regulada para suprir cargas de CC. Portanto, resultados experimentais são fornecidos demonstrando desempenho dinâmico do retificador proposto operando em fator de potência de unidade e extraindo corrente CA de baixa harmônica o serviço/fonte.

[0043] Conforme mostrado na Figura 2A, o circuito de 5 níveis 115 que funciona no modo de retificador tem somente 6 comutadores, com os quais o mesmo gera 5 níveis de tensão. O recurso promissor da configuração é os estados de comutação redundante que facilitam equilíbrio de tensão entre links de CC. O retificador de 5 níveis é proposto nesta revelação operando em fator de potência de unidade assim como eliminando a harmônica de corrente CA de entrada visto que o mesmo trabalha de modo intensificado. A forma de onda de tensão de 5 níveis de baixa THD do retificador de 5 níveis afeta a harmônica de corrente de linha diretamente de modo que o filtro indutor poderia ser menor do que retificador de nível 2, uma de modo a reduzir o tamanho do produto. Visto que a tensão de capacitor de CC auxiliar poderia ser equilibrado somente pelos estados de comutação redundante, a regulação de tensão/corrente do retificador de 5 níveis é o mesmo que uma ponte completa, uma com terminal de CC de saída única que poderia ser realizada através de um controlador de PI em cascata.

[0044] A configuração de retificador de 5 níveis e estados de comutação serão agora discutidos. É fornecida no presente documento é uma técnica de comutação baseada em equilíbrio de tensão. Em relação ao projeto descrito, testes práticos foram realizados em diferentes condições, tais como mudanças de carga, variação principal de CA, cujos testes mostraram desempenho dinâmico satisfatório para o conversor do carregador de bateria 100 no modo de retificador.

[0045] O circuito de 5 níveis 115 tem dois links de CC. O link de CC principal compreende o capacitor de alta tensão 120 que é tensão regulada para suprir carga de CC. A tensão através do capacitor de alta tensão 120 16 é designada V o no presente documento. Um link de CC secundário compreende o capacitor auxiliar

(capacitor de baixa tensão 125). A tensão através do capacitor de baixa tensão 125 é designada Vc no presente documento. Vc tem metade da amplitude de tensão do terminal principal (Vo) e é usada para formar a entrada de retificador tensão (Vm), através do primeiro e do segundo terminais, como uma onda quase sinusoidal. Portanto, Vc = E, Vo = 2E e 5 níveis de tensão incluem 0, ±E, ±2E.

[0046] Operar no modo intensificado significa no presente documento que a tensão de CC de saída é maior do que o valor de pico de CA de entrada. No presente exemplo: Vs-rms = 120 V ® pico de Vs = 120√2= 170 V

[0047] Com base no valor de pico da rede de CA, a tensão de CC foi selecionada em 200V. Agora visto que Vc é metade de Vo, tem-se: Vo = 200 V ® Vc=100V

[0048] Para essa finalidade, a tensão terminal de saída V o é regulada em 200V para alimentar a carga de CC que, nesse exemplo é um banco de bateria de VE. Além disso, a tensão auxiliar de capacitor Vc é equilibrada em 100V de modo a gerar forma de onda de tensão de 5 níveis como Vin.

[0049] Com base nas tensões selecionadas acima, os dois comutadores de potência de alta tensão 130a, 130b são selecionados para superar 200V. Os comutadores de potência auxiliares verificam somente aproximadamente metade da tensão dos comutadores de potência de alta tensão 130a, 130b, que, nesse exemplo, é 100V.

[0050] A Tabela 1 mostra os estados de comutação do circuito de 5 níveis 115. Cada par de comutadores, que, nesse exemplo, incluem o par de comutadores de potência de alta tensão 130a, 130b, o par de comutadores de potência de baixa tensão intermediários 140a, 140b, e o par de comutador de potência de baixa tensão de terminal 150a, 150b, são complementares, significando que, quando um é aberto, o outro é fechado e vice-versa.

Estado de Comutação S1 S2 S3 Vin Tensão Vin 1 1 0 0 Vo +200V 2 1 0 1 Vo-Vc +100V 3 1 1 0 Vc +100V 4 1 1 1 0 0V 5 0 0 0 0 0V 6 0 0 1 -Vc -100V 7 0 1 0 -Vo+Vc -100V 8 0 1 1 -Vo -200V A Tabela 1 - Estado de Comutação do Circuito de 5 níveis 115 funcionando no modo de retificador

[0051] É observável que, com base em cada configuração de comutadores, uma trajetória é fornecida para fluir a corrente através do conversor e um nível de tensão aparece na entrada que formam em conjunto a forma de onda de tensão de 5 níveis. A forma de onda suave tem baixa distorção harmônica total (THD) e afeta diretamente na extração de conteúdo da harmônica de corrente (Se houver harmônica em forma de onda de tensão, então a mesma será injetada na forma de onda de corrente, também. Uma forma de onda de tensão de baixa harmônica causa uma forma de onda de corrente de baixa harmônica). A quantidade naturalmente reduzida de THD permite o uso de um filtro menor da linha de CA com desempenho aceitável em comparação ao filtro maior típico de conversores de nível 2.

[0052] Conforme será observado a partir da Tabela 1, os comutadores de potência de alta tensão 130a, 130b, são, de fato, somente comutados duas vezes por período. No entanto, os comutadores de potência auxiliares podem ser comutados em uma frequência muito mais alta, por exemplo, comutar entre estados redundantes (por exemplo, estados 2 e 3) múltiplas vezes antes de se mover para o próximo estado não redundante (por exemplo, estado 4). Em determinadas modalidades, os comutadores de potência de baixa tensão podem ser comutados em uma alta frequência, de pelo menos, ou mais do que, 1 kHz, por exemplo, maior do que 10 kHz. Nesse exemplo particular, a frequência de comutação pode ser de 48 kHz.

[0053] O equilíbrio de tensão para o presente retificador de carregador de bateria 100 será agora descrito. Conforme será visto na Tabela 1, existe algumas redundâncias entre estados de comutação, ou seja, existem estados de comutação que resultam em uma mesma tensão Vin tal como estados 2 e 3 ou estados 6 e 7. Visto que a saída principal é Vo e é controlada por um controlador de PI externo, os estados de comutação redundante podem ajudar de várias maneiras. Um benefício dos estados de comutação redundante é que reduzir o erro de tensão de V o resulta em reduzir a carga de controlador externo, além disso, equilibrar a tensão auxiliar de capacitor Vc permite o fornecimento de 5 níveis idênticos de tensão de modo a gerar uma forma de onda quase sinusoidal de baixa THD.

[0054] Nas Figuras. 2B e 2C, as trajetórias de corrente 205, 210 para estados redundantes 2 e 3, respectivamente, são mostrados para ilustrar melhor o efeito de estados de comutação redundante no equilíbrio de tensão de links de CC. As polaridades de links de CC são presumidas conforme mostrado na Figura. Os mesmos podem ser carregados ou descarregados com base no sinal de corrente. No estado 2, presumindo que a corrente é positiva, então o capacitor de alta tensão 120 é carregado enquanto o capacitor de baixa tensão 125 é descarregado devido a sua polaridade reversa. Desse modo,

[0055] Vo e Vc são aumentados e diminuídos, respectivamente. No entanto, no estado 3, o capacitor de baixa tensão 125 será carregado por uma corrente positiva no estado 3. Aqueles estados afetarão de modo reverso se o sinal de corrente for negativo. Deve-se observar também que o Vo será diminuído devido ao descarregamento na carga sempre que a mesma não for conectada através da fonte de CA.

[0056] A Tabela II mostra de modo similar o efeito de cada estado de comutação no capacitor de alta tensão 120 e no capacitor de baixa tensão 125, que gera informações úteis para projetar a técnica de equilíbrio de tensão associada.

Tensão de Estado de Comutação Corrente Vin Efeito em Vo Efeito em Vc de linha 1 is > 0 Vo Carregamento Descarregamento 2 is > 0 Vo-Vc Carregamento Descarregamento 2 is < 0 Vo-Vc Descarregamento Carregamento 3 is > 0 Vc Descarregamento Carregamento 3 is < 0 Vc Descarregamento Descarregamento 4 is > 0 0 Descarregamento Descarregamento 5 is < 0 0 Descarregamento Descarregamento 6 is > 0 -Vc Descarregamento Descarregamento 6 is < 0 -Vc Descarregamento Carregamento 7 is > 0 -Vo+Vc Descarregamento Carregamento 7 is < 0 -Vo+Vc Carregamento Descarregamento 8 is < 0 -Vo Carregamento Descarregamento A Tabela 2 - Efeito de Estado de Comutação em Vo e Vc

[0057] Visto que o conversor proposto pode ser um conectado em rede e o controlador associado já inclui um sensor de corrente, é possível evitar ter sensores adicionais e os custos associados. Um mesmo sinal de retorno de sensor de corrente de linha pode ser usado na técnica de equilíbrio de tensão. Dois sensores de tensão podem ser usados como retornos de tensões de CC, e a técnica de comutação pode incluir uma multiportadora PWM manipulada pelos efeitos de tensão listados na Tabela II. A técnica de comutação seleciona o estado de comutação redundante com base nos retornos recebidos da corrente e sensores de tensões.

[0058] Conforme mostrado na Figura 2D, em algumas modalidades, os comutadores de potência de alta tensão 130a, 130b podem ser substituídos com dois diodos 132a e 132b fornecendo um retificador unidirecional de 5 níveis que pode somente converter tensão de CA a CC como um carregador unidirecional. Será entendido pelos elementos versados na técnica que fazem uso de um retificador unidirecional de 5 níveis não afeta o modo que a invenção funciona e pode ser usado como uma alternativa para o circuito de 5 níveis em todas as modalidades reveladas no presente documento.

[0059] Em algumas modalidades, o circuito de 5 níveis pode operar em estados bidirecionais. Isso significa que o mesmo pode converter tensão/corrente CA a CC em um modo de retificador conforme mostrado na Figura 2A ou de CC a CA em um modo de inversor conforme mostrado na Figura 2E. Ao funcionar no modo de retificador, a invenção tem uma saída de CC.

[0060] No modo de inversor, o capacitor de alta tensão (Vo) é conectado a uma fonte de CC como uma fonte de CC isolada, uma bateria ou um painel solar, o circuito de 5 níveis pode gerar tensão/corrente CA daquelas entradas de CC. Essa corrente CA pode ser injetada na rede como o modo de operação ligado à rede ou pode suprir cargas de CA usuais como um suprimento de potência. O modo de inversor pode ser usado em um método de Veículo à rede no qual a bateria do carro pode se envolver em compartilhamento de carga de pico do serviço ou suprir algumas cargas críticas em casa quando não há eletricidade.

[0061] Em referência à Figura 2E, é ilustrada uma topologia 200 para o conversor de potência de 5 níveis funcionando no modo de inversor, de acordo com uma modalidade. Uma carga de CA 202 é conectada através do primeiro terminal 135 e o segundo terminal 160, que correspondem aos únicos nós no circuito onde somente elementos de comutação são conectados. A tensão produzida entre o primeiro terminal 135 e o segundo terminal 160 é a tensão de saída de inversores (V), que é ilustrativamente uma forma de onda de Modulação de Largura de Pulso de 5 níveis (PWM).

[0062] Embora PWM seja denominada no presente documento ao descrever a estratégia de controle implantada para o inversor de 5 níveis proposto, deve-se entender que outras técnicas de controle podem ser usadas. Tais como, porém, sem limitação, PWM de Eliminação de Harmônica Seletiva e Forma de Onda Escalonada de Harmônica Otimizada. PWM tal como a técnica de PWM de Deslocamento, a técnica de PWM Natural Sinusoidal, e a técnica de PWM Programada pode ser usada. Técnicas de circuito aberto e circuito fechado podem ser usadas. Exemplos de técnicas de Circuito Aberto são Vetor de Espaço e Sigma Delta. Exemplos de técnicas de Circuito Fechado são Controlador de Corrente de Histerese, Controlador de Corrente Linear, Controlador de Corrente de DDB, e Controlador de Corrente Otimizada.

[0063] Na modalidade ilustrada, o circuito inversor de 5 níveis 200 pode gerar cinco diferentes Tensões de saída com uso das várias combinações de Computadores nos estados ligado/desligado, conforme será discutido adicionalmente abaixo. Os seis comutadores 130a, 130b, 140a, 140b, 150a, e 150b podem ser implantados com uso de transistores de junção bipolar (BJT). Um diodo parasítico, implicitamente presente devido à natureza do BJT, é ilustrado para indicar a direção de desvio dos transistores, a saber, desvio reverso, de modo que os transistores se comportam como comutadores e não como circuitos curtos. Deve-se observar que meios alternativos de implantar os Computadores são possíveis. Tais como tiristores, por exemplo, tiristores de Desligamento de Porta (GTOs) ou Tiristores Comutados de Porta Integrada (IGCTs), relés, Transistores Bipolares de Porta isolada (IGBTs), Transistores Efeito de Campo Semicondutores de Óxido de Metal (MOSFETs), ou qualquer outro comutador controlável adequado.

[0064] O circuito 200 compreende adicionalmente elementos como em 206 e 208, que são conectados dentro do circuito fechado de modo que cada elemento 206, 208 seja conectado a quatro dos elementos de comutação 130a, 130b, 140a, 140b, 150a, e 150b. O elemento 206 é ilustrativamente uma fonte de CC (isto é, uma bateria, painel solar, ou similares) enquanto o elemento 208 é uma fonte de Tensão dependente, por exemplo, um dispositivo de armazenamento de energia tal como um capacitor (conforme ilustrado) ou uma combinação de capacitores (não mostrada, usada como uma fonte de potência auxiliar.

[0065] Embora o circuito 200 seja ilustrado como compreendendo um elemento 208 para implantar um inversor de cinco níveis, deve-se entender que elementos adicionais 208 podem ser fornecidos para alcançar mais níveis na saída do inversor, conforme será discutido mais abaixo.

[0066] A Figura 3A ilustra um esquema da técnica de equilíbrio de tensão integrada em um modulador com equilíbrio de tensão 305. Conforme mostrado, nesse exemplo um modulador 310 é usado que fornece PWM de 5 níveis. Nesse exemplo, uma técnica de PWM de 4 portadoras é usada para modular o sinal de referência 320, conforme mostrado na Figura 3B. O sinal de referência 320, portanto, é fornecido do controlador que é descrito abaixo. A saída do modulador 310 é fornecido a um circuito de seleção de estado 315 que impõe a lógica da Tabela 1 e da Tabela II para gerar entradas aos comutadores, aqui na forma de sinais a S1, S2, e S3 e a versão inversa (NOTed) desses sinais para S4, S5, e S6, respectivamente. O circuito de seleção de estado 315 fornece um procedimento de rápido equilíbrio de tensão integrado à técnica de comutação, realizar motivo pelo qual é esperado um capacitor de pequeno tamanho seria adequado para o capacitor auxiliar. Uma ilustração esquemática do algoritmo usado é ilustrada na Figura 3C, que mostra elementos lógicos tanto do modulador 310 quanto do o circuito de seleção de estado 315 para fornecer 8 sinais indicativos de respectivos estados com uso de retorno de tensão. A Figura 3E ilustra os mesmos elementos lógicos quando tanto a corrente e retorno de tensão são usados.

[0067] Alternativamente, a Figura 3D mostra elementos lógicos tanto do modulador 310 quanto do circuito de seleção de estado 315 para fornecer 5 sinais indicativos de respectivos estados sem uso de nenhum retorno.

[0068] Esses sinais são então usados por um módulo gerador de pulso 325 para gerar as saídas de pulso aos comutadores. Em uma modalidade, o gerador de pulso 325 pode ser uma mesa comutadora que pode ser programada por um microcontrolador.

[0069] Será verificado pelos elementos versados na técnica que os sinais de comutação digital podem seguir através de um acionador de porta antes de seguir aos comutadores.

[0070] Na Figura 3A, é mostrado que um retorno de tensão é usado em parte de equilíbrio de tensão. No entanto, a unidade de equilíbrio de tensão pode usar retorno de tensão ou corrente. Quando ambos são usados, é possível equilibrar a tensão de capacitor de forma mais robusta.

[0071] Uma ilustração esquemática de um algoritmo que pode ser usado é ilustrada na Figura 3E, que mostra elementos lógicos tanto do modulador 310 quanto do circuito de seleção de estado 315 para fornecer oito sinais indicativos de respectivos estados com uso de retornos tanto de tensão quanto de corrente conforme mostrado no mesmo. Essa disposição tem desempenho comparativamente satisfatório.

[0072] Em uma modalidade, o bloco 315 determina a melhor escolha para o número de estado de comutação (consultar a Tabela 1), e então envia o mesmo ao módulo 325. Pulsos de comutação (S1 a S6) serão gerados com base no número de estado. Por exemplo, se Estado 1 for determinado pelo bloco 315, então de acordo com a Tabela 1, S1, S5 e S6 será LIGADO e S2, S3 e S4 será DESLIGADO que são complementares.

[0073] Em uma modalidade, o sinal de referência 320 na Figura 4 pode ser considerado como Vref na Figura 3.

[0074] Um controlador 410 para o sistema, sendo que o sistema pode empregar um controlador de (PU) integral proporcional em cascata, será agora descrito. Conforme mencionado acima, a presente configuração exemplificadora pode ser usada como um inversor de fonte de CC única, visto que a tensão auxiliar de capacitor é equilibrada através dos estados de comutação. Embora algumas das topologias propostas tenham sido propostas para retificação com dois capacitores de CC, na presente modalidade, o capacitor auxiliar é controlado em tensão pela técnica de comutação projetada e não exige nenhum regulador de tensão adicional. Portanto, pode-se usar somente um controlador de tensão externo para fixar o terminal de CC de saída a um nível desejado, que no presente exemplo é 200V. Como resultado, um simples Controlador de PI em cascata pode ser usado para regular a tensão de CC de saída assim como para controlar a corrente de entrada e sincronizar a mesma com a tensão de rede para garantir operação de a correção de fator de potência (PFC) do retificador. O controlador 410 é responsável por regular Vo e is, que o mesmo realiza em resposta a uma entrada de um sistema de gerenciamento de bateria (BMS), tal como pode ser fornecido em um VE.

[0075] Em alguns exemplos da presente revelação, o controlador mostrado na

Figura 4 (bloqueia 405) inclui um circuito de corrente e um circuito de tensão. A circuito de tensão está no encargo de fixar a tensão de C1 no nível de referência. A erro de tensão é minimizado por um controlador de proporcional-Integral (PI), e sua saída segue para o circuito de corrente como o valor de referência de corrente. O circuito de corrente toma uma amostra da tensão de rede (vs) e envia o erro de corrente a outro controlador de PI de modo a ajustar o deslocamento de fase entre o vs e is. (preferencialmente, um deslocamento de fase de zero-grau para correção de fator de potência chamado PFC, mas o mesmo pode ser ajustado a qualquer valor para troca de potência reativa com a rede.) Visto que os dois circuitos são em série, o mesmo é chamado de controlador de PI em cascata linear. A saída do controlador que é o sinal de referência (unidade 320) segue à unidade de modulação 305 para produzir os pulsos de comutação com base em redundâncias de modo a equilibrar a segunda tensão de capacitor (C2).

[0076] Será verificado pelos elementos versados na técnica que outros tipos de controladores, tais como os não-lineares, modelo preditivo, modo de deslizamento, ou outros controladores adequados conhecidos na técnica podem ser alternativamente usados com a presente revelação.

[0077] O controlador pode ser fornecido por um microcontrolador baseado em processador com software de controle que usa entradas de sensores e fornece as saídas de sinal de controle de porta seguindo a lógica descrita no presente documento para um sistema digital. O controlador também pode compreender um circuito análogo com uso de componentes ativos e passivos. O circuito análogo pode tomar algum retorno da tensão e corrente de sistema e envia o sinal de referência ao modulador.

[0078] A Figura 3D ilustra uma ilustração esquemática do algoritmo usado em algumas modalidades da presente revelação em que o circuito de seleção de estado 315 para fornecer 8 sinais indicativos de respectivos estados não usa sensor para entregar os sinais indicativos de respectivos estados (“sem sensor”). Além disso, a Figura 3D ilustra elementos lógicos de uma unidade de comutação 340 usada em uma modalidade da presente invenção quando o carregador conversor funciona no modo de inversor. Será verificado pelos elementos versados na técnica que a geração de pulso de comutação e equilíbrio de tensão do capacitor auxiliar (o cap. inferior) na configuração de 5 níveis são aplicáveis ao conversor tanto quando o mesmo funciona no modo de retificador quanto no modo de inversor de operação e não são limitados a um modo operacional.

[0079] Em referência à Figura 10, será entendido que o controlador 410 também controla um conversor redutor ou intensificador de CC a CC em resposta à tensão de CC de saída desejada solicitadas pelo BMS. Na Figura 10, esse é um simples conversor redutor ou intensificador controlado pelo comutador S7 com uso do retorno da tensão de saída de CC medida com uso de um sensor.

[0080] Será verificado pelos elementos versados na técnica que qualquer tipo de conversor redutor ou intensificador ou redutor-intensificador conhecido na técnica pode ser usado sem afetar a maneira na qual a invenção funciona. Duas topologias importantes são chamadas de conversor redutor-intensificador que pode produzir uma faixa de tensões de saída, que variam de muito maior (em magnitude absoluta) do que a tensão de entrada, abaixando para quase zero.

[0081] A primeira topologia é a topologia de inversão nas quais a tensão de saída é da polaridade oposta do que a entrada. Esse é um suprimento de potência de modo comutado com uma topologia de circuito similar ao conversor intensificador e o conversor redutor. A tensão de saída é ajustável com base no ciclo de trabalho do transistor de comutação.

[0082] A segunda topologia é um conversor redutor (etapa abaixo) combinado com um conversor intensificador (etapa acima) no qual a tensão de saída é tipicamente da mesma polaridade da entrada, e pode ser menor ou maior do que a entrada. Tal conversor redutor-intensificador sem inversão pode usar um indutor único que é usado para tanto para o modo de indutor redutor quanto para o modo de indutor intensificador, com uso de comutadores em vez de diodos.

[0083] No exemplo da Figura 4, o controlador 410 regula a tensão Vo em um nível de referência de Vref recebido como entrada e também controla a corrente de rede i s para eliminar ou reduzir sua harmônica e torna a mesma em fase com tensão de rede como operação de fator de potência de unidade ou próximo a isso (por exemplo,

PF=99,99%). Uma implantação exemplificadora do controlador 410 é mostrada esquematicamente na Figura 4 em que a corrente 5 e/ou tensão do sensor é amostrada pelo controlador 410 conforme necessário (por exemplo, cerca de a cada 20 microssegundos).

[0084] O regulador de tensão tenta minimizar o erro de V o ajustando-se a amplitude de referência de corrente (is*). O formato da referência de corrente é gerado nesse exemplo através de uma unidade amostra da tensão de rede para garantir o modo de PFC. Eventualmente o controlador output 320 é modulado pela técnica de PWM padrão de 4 portadoras para enviar os pulsos necessários.

[0085] Resultados experimentais para o retificador de carregador de bateria 100 serão agora descritos. Em um exemplo particular de teste, testes práticos foram realizados em um conversor de 5 níveis à base de carboneto de silício (SiC). Seis MOSFETs de SiC de 1.2KV 40A do tipo SCT2080KE foram usados como comutadores ativos. A abordagem de equilíbrio de tensão proposta integrada na técnica de comutação e o controlador em cascata foi implantada em dSpace 1103 e, consequentemente, pulsos de comutação foram enviados aos comutadores de 5 níveis. Os parâmetros de sistema testados são listados na Tabela 4. Frequência de Tensão de Rede 60 Hz Tensão de Rede 120V RMS Tensão de CC de Saída 200 V Carga de CC 38 Q Frequência de Comutação 48 KHz Filtro indutor (Lf) 2,5 mH Capacitor de Alta Tensão 120 2 mF Capacitor de Baixa Tensão 125 50 µF Tabela 4 - PARÂMETROS DE TESTE PRÁTICOS

[0086] Em modalidades alternativas, a tensão de entrada de CA (rede) pode ser cerca de 240V RMS, e a carga de CC pode ser maior do que 350 V, conforme fornecido pela retificação de modo intensificado na maneira descrita no presente documento.

[0087] Os resultados de estado imediato em 1 kW foram capturados conforme visto na Figura 5. Conforme mostrado, a tensão de terminal de CC de saída foi regulada em 200V (Chi com ponto de referência mostrado por 0V2 correspondente ao ponto 1 no eixo geométrico vertical e com 4 unidades que, conforme indicado no fundo do diagrama, cada um representa 50,0 V resultando em 200V) com ondulação de tensão aceitável menor do que 10%. Além disso, devido ao equilíbrio de tensão eficaz de Vc, o Vin foi formado por 5 níveis idênticos de tensão de 0, ±100, ±200V com poluição de harmônica inferior do que uma forma de onda de tensão de 2 níveis. Além disso, a operação de PFC do retificador de carregador de bateria 100 pode ser observada através da tensão de entrada e formas de onda de corrente v s (Ch3 com ponto de referência mostrado por 0V correspondente ao ponto 4 no eixo geométrico vertical - conforme indicado no fundo do diagrama cada um representa 100,0 V) e is (Ch4 com ponto de referência mostrado por 0A2 correspondente ao ponto 4 no eixo geométrico vertical - conforme indicado no fundo do diagrama, cada um representa 10,0A.) Eventualmente, a corrente de carga il (Ch2 com ponto de referência mostrada por 0A2 correspondente ao ponto 2 no eixo geométrico vertical - conforme indicado no fundo do diagrama, cada um representando 10,0 A) foi medido em quase 5A o que demonstra uma realização do sistema operacional de 1kW.

[0088] A Figura 6 retrata alguns outros parâmetros medidos por um analisador de potência AEMC™. Deve-se verificar que o retificador de carregador de bateria 100 foi testado em 1kW com o maior fator de potência possível (próximo à unidade) que reduz a quantidade de potência reativa significativamente e promete o bom desempenho do controlador ao sincronizar a corrente de linha com a tensão de rede. Além disso, a THD de corrente é também baixa devido à baixa poluição de harmônica da forma de onda de tensão de múltiplos níveis gerada pelo retificador de 5 níveis (Os padrões de IEEE519 e IEC61000 exigem uma corrente de linha com THD de menos do que 5%).

[0089] Nesse teste, uma mudança de carga a 50% foi eventualmente realizada intencionalmente (de 38Ω a 75Ω) de modo a examinar o desempenho dinâmico do controlador. Conforme mostrado na Figura 7, a corrente de carga foi reduzida em quase a metade da amplitude inicial. Consequentemente, devido a mudança na quantidade de energia entregue à carga, o Vo (Ch1 com ponto de referência mostrado por 0V2 correspondente ao ponto 1 no eixo geométrico vertical e conforme mostrado no fundo do diagrama cada unidade representando 50,0 V) variado, mas foi bem estabilizado pelo controlador e técnica de equilíbrio de tensão sem excesso inesperado ou não atingido. Além disso, a entrada corrente CA foi mantida sincronizada com a tensão de rede enquanto sua amplitude foi mudando para alcançar o modo de estado imediato. Será verificado que a corrente harmônica é também eliminada durante a transição. Em outras palavras, embora uma redução de 50% na carga de CC (a corrente de carga il (Ch2) é reduzida para 50% - ponto de referência 0A2 correspondente ao ponto 2 no eixo geométrico vertical) seja observada, a tensão de CC é controlada no nível desejado.

[0090] Os resultados práticos do retificador de carregador de bateria 100 mostraram desempenho dinâmico satisfatório do controlador e técnica de equilíbrio de tensão que foi integrada do processo de modulação. A tensão auxiliar de capacitor é mantida regulada no nível desejado com baixa ondulação de tensão devido, em parte, a tal abordagem de equilíbrio de tensão rápida e precisa resulta em gerar uma forma de onda quase sinusoidal de tensão de 5 níveis na entrada do retificador com baixo teor de harmônica. Tal forma de onda de múltiplos níveis permite o uso de filtro de pequeno tamanho para eliminar a harmônica de corrente de linha. O retificador de carregador de bateria 100, portanto, pode ser candidato potencial adequado para ser usado como retificador industrial em sistemas de tração ou carregador de bateria para aplicações de VE.

[0091] Uma técnica de equilíbrio de tensão foi designada e integrada em padrão de comutação para regular a tensão auxiliar de capacitor resultante em gerar 5 níveis idênticos de tensão na entrada desse retificador para formar uma forma de onda de tensão de 5 níveis com baixo teor de harmônica. Um controlador de PI em cascata padrão foi implantado no retificador proposto em parte devido a ter um terminal de CC único sem nenhum capacitor dividido na saída. Testes práticos mostraram desempenho dinâmico satisfatório do retificador de carregador de bateria 100, implantaram técnica de equilíbrio de tensão e controlador durante as condições de estado imediato e mudança de carga. O mesmo também pode ser um produto potencial para o mercado de retificador de PFC.

[0092] Para fornecer uma implantação de 7 níveis e 3 capacitores, mais dois comutadores de potência e um capacitor de baixa tensão adicional precisariam ser adicionados. O bloco de modulação também seria mudado para ter seis ondas portadoras. A unidade de equilíbrio de tensão será mudada devido ao fato de que haveria mais estados de comutação para carregar e descarregar os capacitores e regular suas tensões.

[0093] O retificador de carregador de bateria 100 pode ser fornecido em um carregador de bateria junto a outros circuitos retificadores de carregador de bateria paralelos de construção similar, conforme ilustrado na Figura 8A, cada um funcionando em paralelo para fornecer potência de CC à carga. Para essa finalidade, o carregador de bateria pode compreender um alojamento que inclui uma placa posterior de conector que tem vários soquetes para receber uma pluralidade de módulos, cada um compreendendo um retificador de carregador de bateria do tipo descrito no presente documento, embora um controlador comum pode ser usado conforme ilustrado na Figura 8A. Uma vantagem dessa abordagem modular pode ser que uma placa posterior pode ser primeiro instalado, possivelmente com uso dos serviços de um eletricista profissional, enquanto um usuário final pode adicionar ou substituir os módulos 100 conforme necessário. A abordagem modular ilustrada não é limitada a nenhum número particular de módulos 100; no entanto, a Depositante constatou que, em particular, com uso do projeto de retificador descrito doravante, que um módulo de retificador de 5 kW é eficiente, e 6 de tais módulos fornece uma potência de carregamento de CC combinada de cerca de 30 kW. Essa quantidade de potência é adequada para carregamento de bateria de alta velocidade enquanto é viável dentro dos orçamentos de potência disponível das entradas elétricas monofásica mais convencionais.

[0094] Para implantação prática, um carregador de bateria que compreende o retificador de carregador de bateria 100 pode compreender um cabo de carregamento de veículo de CC intercambiável ao usuário e plugue de carregamento, por exemplo, tendo um formato compatível para se encaixar em um plugue/soquete padronizado (isto é, SAE J1772, ChaDeMo, ou outro) em um VE.

[0095] A Figura 8A também mostra como a bateria de armazenamento e controlador de carga (também conhecido como um sistema de gerenciamento de bateria ou BMS) 810 é conectado através de um cabo de carregador 815 a uma interface de controlador de carregamento de bateria 820 e um controlador 830. O cabo de carregamento 815 pode fornecer a trajetória de dados à interface 820 assim como os condutores de CC de alta tensão conectado à placa posterior 840. A interface 820 pode compreender a interface conhecida na técnica de carregadores de VE de CC que recebem dos dados de BMS ou sinais que indicam informações relacionadas aos parâmetros de tensão e/ou corrente para carregamento. A interface 820 pode ser associada a um computador que pode ser usado para hospedar o controlador 830. O computador 830 pode fornecer o valor de Vref à placa posterior 840 para o um ou mais circuitos retificadores 100. Seja parte dos circuitos 100 ou com uso de um sensor que é parte da placa posterior 840, o computador 830 pode receber a corrente entregue à bateria 810. A interface de dados, as conexões de entrada de CA e saída de CC de um módulo 100 são ilustrados na Figura 10 e serão descritos em detalhes abaixo. O computador 830 pode ser qualquer processador adequado que tem memória de programa para gerenciar o controle de carregamento.

[0096] Em algumas modalidades da presente invenção, conforme a Figura 8B ilustra, a corrente CA que vem do painel de entrada elétrica segue para um conector, tal como um comutador que pode direcionar a corrente CA tanto à bateria de armazenamento como à unidade de controle de carga fornecendo ao usuário um carregador de bateria de VE de nível 2 com saída de CA ou alternativamente a um circuito retificador que fornece um carregador de VE de CC de nível 3 com saída de CC. Portanto, o usuário terá a opção de escolher entre os carregadores de VE de CA de nível 2 ou de VE de CC de nível 3.

[0097] A Figura 8C ilustra uma modalidade na qual a placa posterior pode receber o conector ou comutar diretamente ou através de um conector de módulo. Quando o comutador é conectado à placa posterior, o carregador terá uma saída de CA que segue à bateria de armazenamento que fornece ao usuário um carregador de bateria de VE de nível 2.

[0098] A Figura 8D mostra a mesma modalidade que a Figura 8C em que o comutador é fisicamente removido do conector de módulo por um usuário, portanto, desconectando a corrente CA à saída de CA e é substituído por um ou mais retificadores de carregador de bateria, tais como módulo 100 em um tempo posterior, portanto, atualizando o carregador a um carregador de VE de CC de nível 3. Isso determina ao usuário para instalar o carregador de bateria de VE de nível 2 mais barato que funciona com todos os tipos de veículos, mas não é tão rápido ou eficiente em carregar o veículo sabendo-se que o mesmo poderia ser facilmente atualizado para um VE de CC de nível 3 muito mais rápido e mais eficiente.

[0099] Em algumas modalidades, conforme demonstrado na Figura 11, o comutador pode ter a forma de uma lâmina 200 que tem um módulo de prevenção de sobrecarga e se conecta à placa posterior diretamente ou através do conector de módulo de modo similar às lâminas de retificador 100. Nessa modalidade, o usuário tem de remover a lâmina 200 de modo a substituir a mesma pela lâmina de retificador

100.

[0100] Será verificado pelos elementos versados na técnica que qualquer tipo de conector pode ser usado como uma placa posterior e o propósito de conector de módulo é somente para facilitar e simplificar o processo de instalação para o usuário e qualquer tipo de conector pode ser usado como a placa posterior. Além disso, em algumas modalidades, o comutador e placa posterior pode ser o mesmo elemento que tem a capacidade de desconectar a saída de CA e redirecionar a corrente ao circuito retificador.

[0101] Além disso, será verificado pelos elementos versados na técnica que mesmo isso foi ilustrado de modo diferente, mas o controlador 830 e/ou o carregador de bateria controlador interface 820 ou outros elementos do carregador podem ser também fornecidos como módulo de complemento ou lâminas similares à lâmina de retificador 100 que pode ser adicionada ao dispositivo em uma data posterior. Portanto, o carregador original pode ser somente uma placa posterior com uma entrada e saída que é atualizável a uma estação de carregamento de CC somente adicionando-se alguns módulos ou lâminas na placa posterior.

[0102] Além disso, será entendido pelos elementos versados na técnica que as saídas de CA e CC pode usar saída ou cabo separados ou a mesma saída ou cabo. Em algumas modalidades, a saída tem capacidade de se comunicar com o controlador de carga do veículo.

[0103] A Figura 9 é um diagrama de blocos que mostra um carregador de bateria para uma bateria de armazenamento de energia elétrica. Uma entrada elétrica é conectada a um transformador de distribuição local de uma potência rede por meio de um sensor e um circuito principal que tem um limiar de corrente predeterminado. O sensor fornece um valor de corrente extraído pela entrada elétrica. Uma interface de controlador de carregamento de bateria se comunica com a bateria de armazenamento de energia elétrica e recebe um valor de tensão de carga e um valor de corrente de carga desejado. Um circuito retificador é conectado à entrada elétrica para receber entrada de CA monofásica potência, e o mesmo emite uma tensão de CC que pode ser convertido tanto de modo descendente como de modo ascendente com uso de, por exemplo, um circuito de conversor redutor-intensificador. O conversor redutor tem uma entrada de controle que define uma tensão de saída de CC e corrente. Conforme ilustrado na Figura 10, o controlador 410 pode controlar o conversor redutor-intensificador para emitir a tensão e corrente CC desejadas.

[0104] Em um aspecto amplo, a presente revelação fornece um conversor de potência conectado a uma entrada de CA que converte potência da dita entrada de CA para CC que compreende pelo menos um capacitor de alta tensão para armazenar potência em uma tensão intensificada acima de uma tensão de pico da dita entrada de CA, um circuito retificador. O retificador compreende um indutor conectado em série com a dita entrada de CA, um capacitor de baixa tensão, e tanto dois diodos conectados entre ou alternativamente dois comutadores de alta tensão conectados entre um primeiro terminal de entrada de CA e extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão, dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários conectados entre a dita extremidade oposta do dito capacitor de alta tensão e extremidades opostas do dito capacitor de baixa tensão, e dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal conectados entre as ditas extremidades opostas do dito capacitor de baixa tensão e um segundo terminal de CA, em que uma carga de CC pode ser conectada às ditas extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão. O conversor de potência compreende adicionalmente um controlador que tem pelo menos um sensor para captar corrente e/ou tensão no dito circuito retificador e conectado a uma entrada de porta dos ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e dos ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal.

[0105] Em algumas modalidades, o controlador é operativo para fazer com que o circuito retificador opere em modo intensificado em que uma tensão do dito capacitor de alta tensão é maior do que uma tensão de pico da dita entrada de CA, e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal são comutados com estados de comutação redundante em resposta a uma medição de uma tensão presente no capacitor de baixa tensão de modo a manter o dito capacitor de baixa tensão em uma fração predeterminada de uma tensão desejada para o dito capacitor de alta tensão e para manter desse modo o dito capacitor de alta tensão em uma alta tensão desejada, com o dito circuito retificador suprindo a dita carga de CC e absorvendo potência como um retificador ativo de cinco níveis com baixa harmônica na dita entrada de CA.

[0106] Em algumas modalidades, o conversor de potência em vez de um circuito retificador tem um circuito retificador/inversor bidirecional e dois controladores em vez de um para poder funcionar de modo bidirecional como um retificador e inversor. O circuito retificador/inversor bidirecional compreende um indutor conectado em série com uma porta de CA, um capacitor de baixa tensão, dois comutadores de potência de alta tensão conectado entre um primeiro terminal de CA e extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão, dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários conectados entre a dita extremidade oposta do dito capacitor de alta tensão e extremidades opostas do dito capacitor de baixa tensão, e dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal conectado entre as ditas extremidades opostas do dito capacitor de baixa tensão e um segundo terminal de CA; em que uma porta de CC pode ser conectada às ditas extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão.

O conversor de potência compreende um primeiro controlador para um modo de retificador que tem pelo menos um sensor para captar corrente e/ou tensão no dito retificador/inversor bidirecional e conectado a uma entrada de porta dos ditos dois comutadores de potência de alta tensão, os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal para fazer com que o dito circuito retificador opere em modo intensificado em que uma tensão do dito capacitor de alta tensão é maior do que uma tensão de pico da dita entrada de CA, e os ditos dois comutadores de potência de alta tensão são controlados para ligar e desligar em uma frequência da dita entrada de CA, e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal são comutados com estados de comutação redundante em resposta a uma medição de uma tensão presente no dito capacitor de baixa tensão de modo a manter o dito capacitor de baixa tensão em uma fração predeterminada de uma tensão desejada para o dito capacitor de alta tensão e para manter desse modo o dito capacitor de alta tensão em uma alta tensão desejada, com o dito circuito retificador suprindo a dita carga de CC e absorvendo potência como um retificador ativo de cinco níveis com baixa harmônica na dita entrada de CA.

O conversor também tem um segundo controlador para um modo de inversor conectado aos ditos dois comutadores de potência de alta tensão, os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal e configurados para gerar e se aplicar aos ditos dois comutadores de potência de alta tensão, sendo que as formas de onda dos ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e dos ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal compreendem um primeiro sinal de controle para fazer com que o dito capacitor de baixa tensão seja conectado em série com a dita porta de CC e a dita porta de CA e carregado a um valor predeterminado proporcional a uma Tensão da dita porta de CC, e um segundo sinal de controle para fazer com que o dito capacitor de baixa tensão seja desconectado da porta de CC e conectado em série com a porta de CA, fazendo assim com que o capacitor de baixa tensão seja descarregado.

[0107] Na Figura 9, a interface de rede 902 pode ser uma interface de dados convencional, tal como a ethernet, Wi-Fi, etc., associada ao computador 830. O módulo de registro 904, controlador de orçamento de potência 906, previsor de potência disponível 908 e o módulo de programa de potência de carregamento 910 pode ser implantado em software armazenado na memória de computador 830 e executado por um processador de computador 830 para realizar as operações conforme descrito abaixo.

[0108] Um módulo de registro armazena em uma memória pelo menos um parâmetro derivado da corrente extraída conforme medido pelo sensor, menos qualquer potência extraída pelo circuito retificador ao longo do tempo para várias sub- períodos dentro de cada dia. Esse parâmetro pode ser o maior aumento provável em cargas sem carregamento pelo presente período de tempo e a presente carga sem carregamento. Saltos de carga podem ser derivados de um ou mais utensílios sendo ligados. Motores de CA, tais como bomba de calor e motores de compressor de condicionamento de ar, tipicamente extraíram pelo menos duas vezes sua corrente de estado imediato em sua partida. Conforme pode ser verificado, a probabilidade de um aumento de potência extraída pode estar dentro de uma propensão desejada, tal como dentro de probabilidade de 97%.

[0109] Um calculador de previsor de potência disponível recebe o valor de corrente extraída e o parâmetro de módulo de registro e fornece um valor de carga de carregamento máximo como uma função de uma carga de potência máxima de entrada elétrica predeterminada. O valor de carga máxima para a entrada elétrica pode ser definido com uso de uma interface de usuário (não mostrada). Um controlador de orçamento de potência recebe o valor de carga de carregamento máximo e, a partir da interface de gerenciamento de bateria, o valor de tensão de carga desejado e valor de corrente de carga desejado e fornecem a entrada de controle ao circuito retificador.

[0110] Em uma modalidade, o maior aumento provável é determinado com base em dados de observação a longo prazo. Até que tais dados sejam adquiridos, o previsor de potência disponível pode se comportar de modo mais conservativo, e à medida que a certeza aumenta acerca da previsão, o calculador de previsor pode ser mais agressivo.

[0111] Em outra modalidade, as variações de consumo de potência são analisadas para determinar o número e tamanhos das cargas domésticas principais. Um padrão de comportamento para essas cargas é então detectado. Cargas que são estimadas como ligadas, podem ser somente desligadas, e então as mesmas não contribuem para um risco de aumentar a carga total. A probabilidade de que uma carga será ligada é baseada no estado de outras cargas, hora do dia e época do ano. Por exemplo, se um aquecedor de água for desligado, pode haver uma probabilidade mais alta de que o mesmo será ligado em qualquer dado momento de 7AM a 8AM devido ao uso de água do que de 11PM a 6AM. No verão, cargas de aquecimento elétrico são improváveis de serem ligadas, enquanto CA é mais provável, e o oposto pode ser verdadeiro no inverno. Com base em padrões de comportamento e na estimativa de corrente de quais cargas estão ligadas, o previsor de potência disponível pode prever o maior aumento imediato provável de potência.

[0112] O controlador de orçamento de potência considera o risco do maior aumento provável de potência para determinar qual potência está disponível ao carregador para consumo, e o controlador de orçamento de potência faz com que o circuito retificador e/ou o conversor descendente de CC-CC ajuste a potência de CC entregue ao VE quando a potência solicitada seria grande demais.

[0113] Além disso, o controlador de orçamento de potência pode considerar a degradação de bateria ao definir a taxa de carregamento. Isso pode envolver a referência de uma corrente de carga máxima predeterminada ou valor de potência. Conforme descrito abaixo, um nível de agressividade de carga selecionado pelo usuário também pode ser referenciado.

[0114] Quando o módulo de previsor de potência disponível prevê que um aumento de potência é provável que poderia ter risco de exceder o orçamento de potência (limite de entrada), um comutador de carga descartável opcional pode ser usado para evitar que uma carga significativa extraia potência, o que pode resultar em excesso do orçamento de potência. Isso pode atrasar ou deslocar a carga adicionada para evitar o excesso de orçamento de potência da entrada elétrica. O comutador de carga descartável pode incluir um comutador de potência de tensão de linha conectado entre uma ou mais cargas elétricas e o painel elétrico, por exemplo, um aquecedor de água, para evitar que a carga extraia corrente do painel elétrico com o risco de que a carga adicional poderia exceder o orçamento de potência. Preferencialmente, o comutador de carga inclui um sensor, por exemplo, um sensor de corrente, para medir se a carga está atualmente extraindo potência. Desse modo, o controlador de orçamento de potência pode detectar se a carga em questão está extraindo potência. O comutador de carga descartável, quando aberto, pode ser equipado com sensores para detectar quando a carga desconectada procura extrair potência e, nesse caso, o controlador de orçamento de potência pode então decidir reconectar a carga depois de reduzir potência de carregamento de CC apropriadamente.

[0115] Algumas cargas que extraem alta corrente incluem eletrônica de controle que extrai uma pequena carga em um estado de repouso, por exemplo, menos do que cerca de 100 watts. Nesse caso, é possível incluir CA de baixa potência de desvio à carga descartável enquanto o comutador de carga descartável é aberto. Um exemplo de uma conexão de desvio de CA de baixa potência é um transformador de isolamento configurado para fornecer cerca de dez a várias dezenas de watts de potência para os eletrônicos da carga descartável. Quando os comutadores de carga são ligados, o módulo de comutação de carga descartável pode detectar a extração de potência no lado de carga do transformador de isolamento e então sinalizar ao controlador de orçamento de potência para decidir reduzir a potência de carga de CC para permitir que a carga descartável seja reconectada à potência total de CA, ou se o carregamento de CC na mesma taxa deve continuar. Quando demanda de carga de carregamento de CC termina e então permite, a carga descartável pode ser reconectada.

[0116] A modalidade na Figura 9 inclui um módulo de programa de potência de carregamento que responde à entrada de usuário para moderar a taxa de carga quando o usuário não está com pressa de carregar o VE. Embora VEs possam permitir rápido carregamento, e modalidades reveladas no presente documento podem permitir carregamento com potências de cerca de 25 kVA, a vida de bateria pode ser reduzida repetindo-se rápido carregamento. Adicionalmente, o módulo de programa de potência de carregamento pode ser usado para selecionar um programa de tempo para carregar, a saber, atrasar e/ou de outro modo, adaptar o consumo de potência de acordo com custos de energia de tempo variável e/ou a disponibilidade de potência dentro da rede de distribuição. O conector de carregamento pode, por exemplo, fornecer uma interface de usuário para selecionar um nível de agressividade de carga, a saber um nível variável de mudança de taxa quando a bateria solicita carregamento em alta taxa. Alternativamente, uma interface de rede pode ser fornecida para permitir que uma interface de usuário remota seja usada para definir parâmetros de programa de potência de carregamento.

[0117] Em algumas modalidades, a corrente CA que entra a partir do painel de entrada elétrica pode ser redirecionado por um usuário através de um conector tal como um comutador a uma saída de CA e, a partir dali, diretamente à bateria de armazenamento e controlador de carga contornando o circuito retificador, fornecendo, portanto, ao usuário a opção de escolher tanto CA ou modo de carregamento de CC. Em uma modalidade alternativa, o carregador de bateria não tem o circuito retificador mas tem uma placa posterior a qual o circuito retificador pode ser adicionado em um tempo posterior fornecendo ao usuário um carregador de bateria de VE de nível 2 que é atualizável a um carregador de VE de CC de nível 3 para entregar potência a uma bateria de armazenamento de energia elétrica.

[0118] Será verificado pelos elementos versados na técnica que a placa posterior revelada no presente documento pode ser um conector simples, uma placa posterior que tem unidades de controle, tal como controlador de orçamento de potência, previsor de potência disponível, interface de rede e módulo de programa de potência de carregamento embutidas na mesma, ou uma placa posterior com conectores de módulo ao qual as ditas unidades de controle podem ser adicionadas.

[0119] A Figura 10 ilustra esquematicamente uma "lâmina" única 100 do sistema modular ilustrado na Figura 8A. Na modalidade ilustrada, uma placa de circuito impresso é fornecida ao longo de uma borda com conectores de CA e CC de alta tensão assim como conectores para uma interface de dados. A lâmina 100 contém os comutadores de potência para o conversor de potência e, nessa modalidade, há seis comutadores S1 a S6 para o retificador de 5 níveis ativo e um comutador S7 para o conversor redutor-intensificador que fornece respectivamente conversão descendente ou ascendente de CC a CC.

[0120] O capacitor 120 é fornecido em um módulo pequeno que tem um soquete para conectar em um plugue na lâmina 100. A qualidade do capacitor de alta tensão 120 pode ser importante para a operação apropriada e segura do retificador. A substituição de tempo preciso, portanto, pode ser aconselhável. O soquete pode incluir um circuito de identificação que pode ser lido pelo controlador 410 para determinar uma variedade de informações. Primeiro, o mesmo pode ser usado para determinar se ou não um novo capacitor foi instalado conforme necessário. Segundo, o mesmo pode ser usado para determinar se o capacitor instalado foi anteriormente usado. Isso pode ser alcançado em uma variedade de maneiras. Por exemplo, o controlador 410 pode relatar a um banco de dados externo para uso de cada capacitor 120 conforme identificado por seu ID exclusivo. Tal banco de dados pode ser consultado quando um novo capacitor é plugado. Alternativamente, o circuito de identificação dentro do módulo de plugue de capacitor pode armazenar informações acerca do uso em uma memória não-volátil que podem ser lidos pelo controlador 410. Desse modo, quando um novo módulo de capacitor é conectado a uma lâmina 100, o controlador 410 pode determinar se o capacitor 120 deve ser considerado como totalmente novo, parcialmente usado ou expirado. No caso de um capacitor expirado 120, o controlador 410 pode recusar em fornecer potência e emitir um aviso de comando de substituição do capacitor 120.

[0121] Será verificado que a maneira de fornecer conectividade a um módulo de lâmina 100 pode usar conectores de cabo em vez da conexão de borda mostrada. Será também verificado que o módulo de soquete do capacitor pode ser fornecido na lâmina 100 conforme mostrado na Figura 10, ou o mesmo pode ser fornecido em qualquer ponto, tal como em uma porção separada da placa posterior (consultar a Figura 8A).

[0122] O soquete pode incluir um comutador para detectar que o módulo de plugue de capacitor está sendo removido ou é exposto para remoção, de modo que a desativação da lâmina ou lâminas 100 pode ser realizada para permitir a remoção segura e substituição dos módulos de capacitor 120. Embora cada lâmina 100 seja mostrada na modalidade da Figura 10 para ter seu próprio controlador 410, é possível ter um controlador comum 410 no controle de placa posterior dos comutadores de várias lâminas.

[0123] O bloco de sensor na Figura 10 é ilustrado como sendo conectado para medir a tensão no capacitor de baixa tensão, a corrente de saída de CC e a tensão de saída de CC. Outros valores também podem ser medidos se for desejado. Os valores medidos são fornecidos ao controlador 410.

[0124] A Figura 11 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade alternativa da presente invenção no qual uma lâmina de carregamento de CA 1100 com um módulo de prevenção de sobrecarga 1102 é revelado. A corrente CA entra na lâmina de uma entrada de CA e sai de uma saída de CA depois de seguir através do módulo de prevenção de sobrecarga 1102. O módulo de prevenção de sobrecarga fornece adicionalmente a possibilidade de se comunicar com a interface de controlador de carregamento para definir a corrente e tensão para a saída de CA conforme necessário pelo VE pelo uso de uma porta de data.

[0125] Em referência à Figura 12, é ilustrada uma modalidade da presente invenção na qual uma unidade de carregamento de CC portátil 1200 é fornecida. A unidade de carregamento de CC portátil compreende um alojamento 1202 que tem uma entrada de CA 1204 e uma saída de CC 1208 que são respectivamente conectadas a uma fonte de CA 1204 por um cabo 1206 e a um VE por um cabo 1210. A unidade de carregamento de CC portátil 1200 é dotada de um ou mais retificadores de circuito de 5 níveis.

[0126] Em uma modalidade, a unidade de carregamento de CC portátil 1200 é dotada de múltiplos circuitos retificadores de carregador de bateria paralelos de 5 níveis de construção similar, ilustrados na Figura 13, cada um funcionando em paralelo para fornecer potência de CC à carga. Para essa finalidade, o carregador de bateria pode compreender o alojamento 1202 e pode incluir uma placa posterior de conector 1302 que tem vários soquetes 1304 para receber uma pluralidade de módulos de lâmina 1306, cada um compreendendo um circuito retificador de bateria de 5 níveis do tipo descrito no presente documento.

[0127] Uma vantagem dessa abordagem modular pode ser que o carregador portátil pode ser comercializado somente com um retificador de circuito de 5 níveis e um usuário final pode adicionar ou substituir os módulos 1306 conforme necessário. A abordagem modular ilustrada não é limitada a nenhum número particular de módulos 1302.

[0128] Em algumas modalidades, o carregador portátil unidade pode funcionar em um modo bidirecional ou um modo unidirecional. No modo bidirecional, o carregador portátil pode funcionar tanto como um inversor como um retificador. No modo unidirecional, o conversor funciona um retificador conforme descrito anteriormente em outras modalidades da presente invenção.

[0129] No modo unidirecional, o retificador de circuito de 5 níveis pode ter dois diodos em vez dos dois comutadores de alta tensão conforme ilustrado na Figura 2D.

[0130] Uma vantagem da unidade de carregamento portátil 1200 é que, diferente das unidades de carregamento a bordo, a mesma tem uma proximidade ao fator de potência de unidade, extraindo corrente CA de baixa harmônica do serviço/fonte. Além disso, em algumas modalidades, o carregador portátil unidade 1200 pode fornecer as capacidades de qualquer outra unidade de carregamento externa, tais como maior transferência de KW, sistema de gerenciamento de bateria mais sofisticado, gerenciamento de calor de bateria, capacidade de se comunicar com o prédio/casa/rede, sistemas de gerenciamento de energia, uma maior taxa de transferência de energia. Além disso, a unidade de carregamento portátil 1200 revelada pode proporcionar adicionalmente aos fabricantes de VE a opção de remover peso de VE removendo-se a unidade de carregamento a bordo e fornecendo a unidade de carregamento portátil 1200 como uma alternativa para carregar o veículo.

[0131] Em referência à Figura 14A e 14B, em algumas modalidades, o veículo elétrico pode ter um receptor 1402 em seu bagageiro para um conector 1212 que tem um sensor (não mostrado) conectado a um indicador para o condutor mostrando a presença da unidade de carregamento de CC portátil no bagageiro do veículo. Isso evitaria que o usuário esqueça a unidade de carregamento portátil depois que a carga charge está sobre ou deixando um lugar. O sensor pode ser tão simples quanto um comutador mecânico que é impulsionando quando o receptor 1402 recebe o conector ou qualquer outro tipo de sensor mecânico, elétrico ou eletrônico conhecido na técnica.

[0132] Em algumas modalidades em vez do receptor 1402, o veículo elétrico tem um receptor diferente para receber o alojamento ou o cabo da unidade de carregamento de CC portátil 1200 que fornece a mesma função de indicação.

[0133] Em uma modalidade, em vez do receptor 1402, a unidade de carregamento portátil 1200 pode ter um indicador de presença sem fio, tal como uma identificação de Rádio-frequência (RFID) ou sensor de Bluetooth para indicar a presença do carregador de CC portátil dentro do veículo ou na proximidade do mesmo.

[0134] Será verificado pelos elementos versados na técnica que o conjunto de circuitos descrito neste pedido, tal como o retificador de circuito de 5 níveis pode ser usado em quaisquer sistemas de conversão de CA para CC tais como um suprimento de CC, outros carregadores de VE, qualquer outro tipo de carregador de bateria, ou qualquer outra implantação que necessita de conversão de CA para CC.

[0135] Embora a descrição acima tenha sido dotada de referência ao exemplo específico, isso foi para o propósito de ilustrar, não limitar a invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Carregador de bateria para entregar potência a uma bateria de armazenamento de energia elétrica, sendo que o dito carregador de bateria é caracterizado pelo fato de que compreende: uma entrada de CA para receber potência monofásica de uma entrada elétrica; uma interface de controlador de carregamento de bateria para se comunicar com a bateria de armazenamento de energia elétrica e receber um valor de tensão de carga; um conversor de potência conectado à dita entrada de CA e responsável ao dito valor de tensão de carga para converter potência da dita entrada de CA a CC em uma saída de CC em uma tensão variável de acordo com o dito valor de tensão de carga para uma carga de CC, sendo que o dito conversor de potência compreende: pelo menos um capacitor de alta tensão para armazenar potência em uma tensão intensificada acima de uma tensão de pico da dita entrada de CA; um circuito retificador que compreende: um indutor conectado em série com a dita entrada de CA, um capacitor de baixa tensão, um dentre: dois diodos conectados entre um primeiro terminal de entrada de CA e extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão; e dois comutadores de alta tensão conectados entre um primeiro terminal de entrada de CA e extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão, dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários conectados entre a dita extremidade oposta do dito capacitor de alta tensão e extremidades opostas do dito capacitor de baixa tensão, e dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal conectados entre as ditas extremidades opostas do dito capacitor de baixa tensão e um segundo terminal de CA, em que uma carga de CC pode ser conectada às ditas extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão; e um controlador que tem pelo menos um sensor para captar corrente e/ou tensão no dito circuito retificador e conectado a uma entrada de porta dos ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e dos ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal.

2. Carregador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito controlador é operativo para fazer com que o dito circuito retificador opere em modo intensificado em que uma tensão do dito capacitor de alta tensão é maior do que uma tensão de pico da dita entrada de CA, e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal são comutados com estados de comutação redundante em resposta a uma medição de uma tensão presente no dito capacitor de baixa tensão de modo a manter o dito capacitor de baixa tensão em uma fração predeterminada de uma tensão desejada para o dito capacitor de alta tensão e para manter desse modo o dito capacitor de alta tensão em uma alta tensão desejada, com o dito circuito retificador suprindo a dita carga de CC e absorvendo potência como um retificador ativo de cinco níveis com baixa harmônica na dita entrada de CA.

3. Carregador, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a dita interface de controlador de carregamento de bateria se comunica também com a bateria de armazenamento de energia elétrica e recebe um valor de corrente de carga desejado, e o dito conversor de potência é também responsivo ao dito valor de corrente de carga desejado para converter potência da dita entrada de CA a CC em uma saída de CC em uma corrente variável que não excede o dito valor de corrente de carga desejado para uma carga de CC.

4. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um circuito conversor redutor para converter potência de CC das ditas extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão a uma tensão de saída de CC inferior definida pelo dito valor de tensão de carga.

5. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4,

caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um circuito conversor de intensificação para converter potência de CC das ditas extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão a uma tensão de saída de CC maior definida pelo dito valor de tensão de carga.

6. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende o dito conector do tipo soquete para remover e substituir o dito capacitor de alta tensão do dito circuito retificador ativo.

7. Carregador, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o dito capacitor de alta tensão é integrado a um módulo de encaixe de plugue que compreende pelo menos um componente de identificação eletrônico e uma interface para conectar o dito componente de identificação eletrônico ao dito controlador, em que o dito controlador é configurado para evitar a operação quando o dito componente de identificação eletrônico é ausente ou falha em fornecer uma identificação válida para o dito módulo de encaixe de plugue.

8. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal são comutados em uma frequência acima de 10 kHz.

9. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a dita entrada de CA monofásica é cerca de 240 V RMS e a dita saída de potência de CC está em uma tensão maior do que 350 V.

10. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o dito carregador compreende um alojamento que inclui uma placa posterior de conector que tem uma pluralidade de soquetes de módulo e pelo menos um módulo conectado no dito soquete de módulo, cada um dos ditos módulos compreende o dito circuito retificador, sendo que os ditos módulos funcionam em paralelo para fornecer potência de CC à dita carga.

11. Carregador, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dito capacitor de alta tensão de cada um dos ditos módulos é cerca de 4 millifarads.

12. Carregador, de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que cada um dos ditos módulos tem capacidade de suprir mais do que cerca de 2 kW de potência de carga de CC.

13. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um cabo de carregamento de veículo de CC e um plugue de carregamento.

14. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o dito carregador tem capacidade de suprir mais do que 9,5 kW de potência de carga de CC.

15. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que o dito carregador é um carregador portátil que compreende adicionalmente um cabo de entrada de CA, um cabo de saída de CC, um alojamento que inclui uma placa posterior de conector que tem uma pluralidade de soquetes de módulo e pelo menos um módulo conectado no dito soquete de módulo, cada um dos ditos módulos compreende o dito circuito retificador, sendo que os ditos módulos funcionam em paralelo para fornecer potência de CC a dita carga.

16. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que o dito conversor de potência compreende um sensor de potência de entrada elétrica para medir a potência extraída pela dita entrada elétrica a partir de seu transformador de distribuição e um módulo de previsão de aumento de potência extraída que tem uma entrada para receber um valor da dita potência extraída e uma saída que fornece um valor de um maior salto provável de potência extraída na dita entrada elétrica, sendo que o dito conversor de potência é configurado para restringir a dita saída de nível de corrente pelo dito conversor de potência de modo a evitar que a potência extraída pela dita entrada elétrica exceda um limite predefinido caso o dito maior salto provável de potência extraída ocorra.

17. Carregador, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o dito veículo elétrico tem um receptor com um sensor de presença que mostra a presença de um conector do dito carregador portátil.

18. Carregador, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um de uma identificação de Radiofrequência (RFID); e sensor de Bluetooth, para indicar a presença do carregador portátil dentro do veículo ou em proximidade com o mesmo.

19. Carregador de bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de que: o dito circuito retificador é um circuito retificador/inversor bidirecional que compreende um indutor conectado em série com uma porta de CA, um capacitor de baixa tensão, dois comutadores de potência de alta tensão conectados entre um primeiro terminal de CA e extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão, dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários conectados entre a dita extremidade oposta do dito capacitor de alta tensão e extremidades opostas do dito capacitor de baixa tensão, e dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal conectados entre as ditas extremidades opostas do dito capacitor de baixa tensão e um segundo terminal de CA; em que uma porta de CC pode ser conectada às ditas extremidades opostas do dito capacitor de alta tensão; o dito controlador é um primeiro controlador para um modo de retificador que tem pelo menos um sensor para captar corrente e/ou tensão no dito retificador/inversor bidirecional e conectado a uma entrada de porta dos ditos dois comutadores de potência de alta tensão, os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal para fazer com que o dito circuito retificador opere em modo intensificado em que uma tensão do dito capacitor de alta tensão é maior do que uma tensão de pico da dita entrada de CA, e os ditos dois comutadores de potência de alta tensão são controlados para ligar e desligar em uma frequência da dita entrada de CA, e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal são comutados com estados de comutação redundante em resposta a uma medição de uma tensão presente no dito capacitor de baixa tensão de modo a manter o dito capacitor de baixa tensão em uma fração predeterminada de uma tensão desejada para o dito capacitor de alta tensão e para manter desse modo o dito capacitor de alta tensão em uma alta tensão desejada,

com o dito circuito retificador suprindo a dita carga de CC e absorvendo potência como um retificador ativo de cinco níveis com baixa harmônica na dita entrada de CA; e o dito conversor de potência compreende adicionalmente um segundo controlador para um modo de inversor conectado aos ditos dois comutadores de potência de alta tensão, os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e os ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal e configurados para gerar e se aplicar aos ditos dois comutadores de potência de alta tensão, sendo que as formas de onda dos ditos dois comutadores de potência de baixa tensão intermediários e dos ditos dois comutadores de potência de baixa tensão de terminal compreendem um primeiro sinal de controle para fazer com que o dito capacitor de baixa tensão seja conectado em série com a dita porta de CC e a dita porta de CA e carregado a um valor predeterminado proporcional a uma tensão da dita porta de CC, e um segundo sinal de controle para fazer com que o dito capacitor de baixa tensão seja desconectado da porta de CC e conectado em série com a porta de CA, fazendo assim com que o capacitor de baixa tensão seja descarregado.

20. Carregador de bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 19, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma saída de CA para VE de Nível 1 ou Nível 2 em carga e um comutador para desconectar o dito conversor de potência e conectar uma corrente CA entre a entrada de CA e a saída de CA.

21. Carregador de bateria de VE de nível 2 atualizável a um carregador de VE de CC de nível 3 para entregar potência a uma bateria de armazenamento de energia elétrica, sendo que o dito carregador de bateria é caracterizado pelo fato de que compreende: - um alojamento que compreende: uma entrada de CA para receber potência monofásica de uma entrada elétrica; uma saída de CA; uma saída de CC; uma placa posterior de conector que tem pelo menos um conector de módulo adaptado para receber pelo menos um módulo de conversor de potência de CC e para conectar a entrada de CA e a saída de CC; e um comutador para conectar uma corrente CA entre a entrada de CA e a saída de CA.

22. Carregador de bateria, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o comutador é controlado pelo dito pelo menos um módulo de conversor de potência de CC.

23. Carregador de bateria, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o comutador tem de estar aberto para permitir que o dito pelo menos um módulo de conversor de potência de CC seja fisicamente instalado.

24. Carregador de bateria, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que o comutador é um conector do tipo soquete.

25. Carregador de bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações 21 a 24, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um módulo de prevenção de sobrecarga que evita que uma tensão de saída de CA exceda uma tensão de carga desejada e uma corrente de saída de CA exceda uma corrente de carga desejada.

26. Carregador de bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações 21 a 25, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma interface de controlador de carregamento de bateria para se comunicar com a bateria de armazenamento de energia elétrica e receber um valor de tensão de carga e um valor de corrente de carga desejado.

27. Carregador de bateria para entregar potência a uma bateria de armazenamento de energia elétrica, sendo que o dito carregador de bateria é caracterizado pelo fato de que compreende: uma entrada de CA para receber potência monofásica de uma entrada elétrica; um sensor de potência de entrada elétrica para medir a potência extraída pela dita entrada elétrica de seu transformador de distribuição; um módulo de previsão de aumento de potência extraída que tem uma entrada para receber um valor da dita potência extraída e uma saída que fornece um valor de um maior salto provável na dita potência extraída na dita entrada elétrica; uma interface de controlador de carregamento de bateria para se comunicar com a bateria de armazenamento de energia elétrica e receber um valor de tensão de carga; um conversor de potência conectado à dita entrada de CA e responsivo ao dito valor de tensão de carga e o dito valor de corrente de carga desejado para converter potência da dita entrada de CA para CC em uma saída de CC em uma tensão variável de acordo com o dito valor de tensão de carga, sendo que o dito conversor de potência é configurado para restringir a dita saída de nível de corrente pelo dito conversor de potência de modo a evitar que a dita potência extraída pela dita entrada elétrica exceda um limite predefinido caso o dito maior salto provável na dita potência extraída ocorra.

28. Carregador de bateria, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que o dito conversor de potência compreende um módulo de programa de potência de carregamento que tem uma interface de entrada de usuário para receber entrada de usuário que define parâmetros de agressividade de carregamento, em que o dito módulo de programa de potência de carregamento controla o dito nível de corrente ao longo do tempo em resposta aos ditos parâmetros de agressividade de carregamento.

29. Carregador, de acordo com a reivindicação 27 ou 28, caracterizado pelo fato de que a dita interface de entrada de usuário para receber entrada de usuário compreende pelo menos um comutador fornecido no dito plugue de carregamento.

30. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 27 a 29, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma interface de rede, em que a dita interface de entrada de usuário para receber entrada de usuário compreende uma interface de usuário de dispositivo remoto conectada à dita interface de rede.

31. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 27 a 30, caracterizado pelo fato de que o dito módulo de programa de potência de carregamento registra um histórico de corrente de carregamento de modo que uma avaliação de degradação de bateria possa ser realizada.

32. Carregador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 27 a 31, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um comutador de carga descartável; em que o dito módulo de previsão de aumento de potência extraída é conectado ao dito comutador de carga descartável para desconectar temporariamente pelo menos uma carga deslocável conectável ao dito comutador de carga descartável quando o dito maior salto provável de curto-prazo de potência extraída mostra um risco de exceder o dito limite predefinido, o dito módulo de previsão de aumento de potência extraída é configurado para reconectar a dita carga deslocável quando o dito módulo previsor de aumento de potência extraída determina que o risco a curto prazo de exceder o dito limite predefinido se atenuou.

Fase de CA 1 de 14,4 ou 25 Kv

Transformador de topo de polo de 50 a 167 CA de 240 V

Petição 870200045189, de 09/04/2020, pág. 69/91 Linha de queda Painel de serviço de CA de 240 V de distribuição de para o local 100 a 200 amp Disjuntores de 15 a 39 amps

Cargas de local totalmente independentes 1/21

Medidor de eletricidade Disjuntores de 40 a 80 amps

Carregador Rápido de EV, Sensor modular, residencial de CC de carga CA de 240 V para carregador de EV Potência de CC de EV Comunicações de barramento de CAN com Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) de EV porta de conector de SAE J1771 de Nível 3 ou CC de ChaDeMo

Carga de CC

Capacitor auxiliar

Carga de CC Carga de CC

Capacitor Capacitor auxiliar auxiliar

Estado 2 Estado 3

Carga de CC

Capacitor auxiliar

Fonte de CC

Carga de CA

Capacitor

Estado 3

Sinal de Referência do controlador

Petição 870200045189, de 09/04/2020, pág. 72/91 Mudulação por uma técnica de PWM de 4 portadoras

Números 1 a 8 de estado de comutação

Pulsos 4/21

Não

Tempo (s)

Circuito de seleção de estado Petição 870200045189, de 09/04/2020, pág. 74/91 Modulador Técnica de equlíbrio de tensão proposta com Frequencia Técnica de PWM de 5 níveis padrão de comutação reduzida integrada em PWM Sim Estado 1 Não Não Estado 2 Se Geração

E Sim Sim Sim Estado 3 de Pulsos 6/21 Não Estado 4 de Não E Comutação E com base Pulsos de Sim Estado 5 E no estado comutação Não Sim Estado 6 nº 325 E Se Não Estado 7 Sim Não Estado 8

Petição 870200045189, de 09/04/2020, pág. 75/91 sim Estado 1 não Estado 2

E sim sim Estado 4 não não E Módulo de 7/21 E Geração Pulsos de sim Estado 3 de pulso E comutação não Estado 6

E sim não Estado 5

Modulador Circuito de seleção de estado Técnica de equlíbrio de tensão proposta com Frequencia de comutação reduzida integrada em PWM Petição 870200045189, de 09/04/2020, pág. 76/91 Técnica de PWM de 5 níveis padrão sim Estado 1 não Estado 2 sim Se não Se sim Estado 3 E sim Estado 2 Geração de sim sim Se não Estado 3 Pulsos de não Comutação Estado 4 E com base 8/21 não E não no estado Pulsos de sim Estado 5 nº 325 comutação

E não Estado 6 sim Se não E Se sim Estado 7 sim Estado 6 sim Se Estado 7 não não Estado 8 não

Retificado r PUC5

Pulsos de comutação

Modulador com Técnica de equilíbrio de tensão

Seno Seno

Linha 100 mil pontos

Medições de analisador de potência da tensão/corrente lateral de CA no retificador PUC5

Linha 1 milhão de pontos

Parâmetros de carregamento solicitados (por exemplo, tensão e corrrente)

Interface de Bateria de armazenamento e controlador de Controlador de Carga carregamento Controlador de bateria painel de entrada elétrica Placa posterior Fase única de 240 Vac

“Lâminas” de retificador de 5kW

Parâmetros de carregamento solicitados (por exemplo, tensão e corrrente)

Interface de Bateria de armazenamento e controlador de Controlador de Carga Controlador carregamento de bateria

Fase única de 240 Vac

Fase única de 240 Vac Placa posterior painel de entrada elétrica

Fase única de 240 Vac

Comutador

“Lâminas” de retificador de 5kW

Parâmetros de carregamento solicitados (por exemplo, tensão e corrrente)

Interface de Bateria de armazenamento e controlador de Controlador Controlador de Carga carregamento de bateria

Fase única de 240 Vac Placa posterior

Conector de módulo painel de entrada elétrica Comutador

Parâmetros de carregamento solicitados (por exemplo, tensão e corrrente)

Fase única de 240 Vac Placa posterior

Conector de módulo painel de entrada elétrica

“Lâminas” de retificador de 5kW

Interface de Parâmetros de carregamento solicitados controlador de (por exemplo, tensão e corrrente) Bateria de armazenamento e carregamento Controlador de Carga de bateria

Conector de

Petição 870200045189, de 09/04/2020, pág. 83/91 carga Agressividade de Carga Conversor redutor/ Tensão e corrente de carga solicitadas intensificador

Circuito Controlador de Módulo de Programa Painel de entrada retificador orçamento de de potência de elétrica Fase única potência carregamento de 100A max de 240 Entrada de vac controle Limite de entrada Disjuntor de (valor de disjuntor) 15/21 entrada principal Carga de Módulo de carregamento Previsor de Potência registro disponível

Corrente de Sensor de corrente entrada de entrada Interface de rede

Aumentos históricos de cargas sem carregamento para cargas de atuais e presente carga sem carregamento Transformador de passível de deslastre distribuição local Comutador de carga

Controlador Capacitor de

HV Petição 870200045189, de 09/04/2020, pág. 84/91 Sensores Soquete Chip de ID Plugue cap. de LV 16/21 Indutor intesificador Indutor redutor/ intensificador Entrada de CA Saída de CC Dados de interface de controlador de carregamento

Petição 870200045189, de 09/04/2020, pág. 85/91 Módulo de prevenção de sobrecarga 17/21

Entrada de CA Saída de CC Dados de interface de controlador de carregamento

Parâmetros de carregamento solicitados (por exemplo, tensão e corrrente)

Interface de Bateria de armazenamento e controlador de Controlador de Carga carregamento Controlador Saída de CC de bateria

Entrada de CA Fonte de Placa posterior potência de CA

“Lâminas” de retificador de 5kW