BR112021004046A2 - carregadores de bordo (obc) - Google Patents
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Abstract
carregadores de bordo(obc) a presente invenção refere-se a um método para extrair um valor de energia que é igual a uma energia máxima de referência extraída de uma rede elétrica trifásica pmáx3ø de uma rede elétrica de ca com um carregador de bordo, obc, (200) que compreende um corretor de fator de energia, pfc, tendo uma extremidade frontal ativa trifásica, afe, (220) conectada à rede elétrica de ca, um conversor cc/cc (230) recebendo uma tensão de cc regulada do pfc e configurado para carregar uma bateria de alta tensão (140) e dispositivos que configuram o obc para extrair o valor de energia, os dispositivos compreendem os três comutadores sw1, sw2 e sw3 e um braço de diodos (260) tendo os diodos d1 e d2 conectados em série entre um lado de alta e um de baixa da afe (220), pelo que os dois comutadores sw1 e sw2 são arranjados entre a afe (220) e a rede elétrica de ca e podem interromper corrente fluindo entre braços de fases da afe trifásica (220), em que o terceiro comutador sw3 é arranjado em uma linha conectando o braço de diodos (260) à rede elétrica de ca.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “CARRE- GADORES DE BORDO (OBC)”. Descrição
[001] A presente invenção refere-se a OBCs configurados para se- rem conectados a qualquer tipo de fonte de energia de CA e que com- preendem dispositivos que permitem extrair uma energia máxima em redes elétricas monofásica, bifásica e de fase dividida igual à energia máxima em redes elétricas trifásicas. Antecedentes da Invenção
[002] Sistemas de conversão de energia tais como carregadores de bordo (OBC) são usados para fornecer uma energia de entrada de CA para uma carga de CC. OBCs podem ser usados, por exemplo, em acionamentos de motores com um estágio inversor acionando um motor de CA. Um OBC pode converter a energia elétrica de 50/60 Hz em ener- gia de CC, ajustar a tensão de CC para os níveis exigidos pela bateria de alta tensão, fornecer isolamento galvânico, correção de fator de ener- gia (PFC) e controle para impedir danos por arcos causados por desco- nexão quente.
[003] OBCs tipicamente são conectados à rede elétrica por meio de um conversor de PFC que garante um fator de energia PF perto de unidade enquanto que limitando a Distorção Harmônica Total (THD) da corrente de entrada abaixo de certos limites. Em muitos casos, clientes exigem que a PFC trabalhe em redes elétricas de fase dividida, mono- fásica e trifásica. Tipicamente somente um terço da energia total pode ser entregue em configuração monofásica/de fase dividida. Entretanto, pode ser exigido que a energia total seja fornecida em todas as configu- rações, o que exigiria uma topologia de circuito alternativa que permi- tisse tanto satisfazer as exigências de energia quanto garantir figuras de alta densidade de energia.
[004] De modo convencional, conversores de estágios de PFC mo- nofásicos podem ser baseados em um retificador de ponte monofásico seguido por um conversor de elevação. A saída do conversor de eleva- ção pode ser uma tensão de CC regulada que assegura a operação correta de um conversor CC/CC, isto é, um carregador de bateria para carregar uma bateria de CC de alta tensão.
[005] A topologia monofásica já descrita pode ser reproduzida para alcançar um estágio de PFC trifásico baseado em um conversor de PFC de elevação monofásico por fase. Esta arquitetura é uma boa escolha quando já existe um projeto monofásico anterior, porque ele reduz o tempo para comercializar. Entretanto, o número de componentes e den- sidade de energia podem não ser otimizados quando comparados aos de outras arquiteturas. Desvantajosamente, o estágio de PFC trifásico baseado em um retificador de ponte monofásico e um conversor de ele- vação por fase não otimiza o número de componentes. Portanto, a den- sidade de energia do estágio de entrada de OBC pode ser comprome- tida.
[006] Outras implementações correntes podem incluir um estágio de PFC de elevação de 1 fase baseado em estágios de PFC de eleva- ção monofásicos paralelos, em que cada um dos estágios de PFC mo- nofásicos potencialmente pode ser conectado em paralelo a uma fonte de energia monofásica, ou um OBC trifásico ou OBC monofásico base- ado em uma AFE trifásica que substitui o retificador de ponte descrito acima seguido por um conversor de elevação. A AFE permite um nú- mero reduzido de componentes e uma densidade de energia maior. Desvantajosamente, o estágio de PFC trifásico baseado na AFE trifá- sica limita a corrente máxima que pode ser extraída da rede elétrica àquela de uma monofásica, portanto a energia máxima no modo mono- fásico de operação é 1/3 da energia máxima em modo trifásico de ope- ração.
[007] Conversores de extremidade frontal ativa (AFE) usados em OBCs para correção de fator de energia empregam um retificador de comutação ativa para converter energia de CA de entrada para fornecer energia de CC para um barramento, seguido por um inversor que aciona um transformador a fim de passar a energia com isolamento galvânico da saída do corretor de fator de energia para a saída do OBC. As cor- rentes secundárias do transformador de isolamento são retificadas para acionar a carga de CC. Tais conversores de extremidade frontal ativa tipicamente são acoplados com filtros de entrada, tais como circuitos de filtros de LCL conectados a cada fase de energia. Uma vez que o retifi- cador de extremidade frontal é um circuito de comutação, o filtro de en- trada opera para impedir introdução de conteúdo harmônico não dese- jado na rede elétrica ou em outra fonte de entrada. Componentes de filtro, incluindo os indutores de filtro, tipicamente são projetados de acordo com a classificação de conversor de energia, onde superdimen- sionamento de componentes de filtro de entrada adiciona custo ao sis- tema e ocupa espaço de envoltório valioso. Entretanto, situações podem ocorrer em que tensões de rede elétrica caem, ou em que uma tensão de fonte de entrada disponível é menor que a tensão de entrada de CA nominal para a qual o conversor foi projetado.
[008] Portanto, obter uma arquitetura de estágio de entrada de OBC que supera as desvantagens mencionadas anteriormente das con- figurações de OBC correntes e que permite operar o OBC em rede elé- trica de fase dividida, monofásica e trifásica, assegurando um fator de energia (PF) perto de unidade e uma THDi baixa e alcançando uma densidade de energia alta enquanto que usando o número mínimo de componentes, é desejado. Além disso, um OBC que extrai a mesma energia total que pode ser extraída de uma rede elétrica trifásica em redes elétricas monofásica, bifásica e de fase dividida (evitando assim o limite de 1/3 monofásico imposto pelas arquiteturas de AFE mencio- nadas anteriormente) é também desejado. Descrição da Invenção
[009] A presente invenção propõe uma arquitetura para um OBC que resolve as desvantagens mencionadas anteriormente; por exemplo, ela evita o limite de 1/3 monofásico imposto pelas arquiteturas de AFE, ela permite que o OBC seja compatível com redes elétricas monofásica, bifásica, de fase dividida e trifásica, ela assegura um PF perto de uni- dade e uma THDi baixa. Além disso, a densidade de energia do OBC proposto pode ser comparável à de uma AFE de rede elétrica trifásica padrão e o número de componentes é otimizado quando comparado ao das soluções do estado da técnica mencionadas anteriormente basea- das em estágios de PFC monofásicos paralelos.
[010] Consequentemente, em um aspecto principal da presente in- venção, é proposto um método para extrair um valor de energia que é igual a uma energia máxima de referência extraída de uma rede elétrica trifásica PMÁX3Ø de uma rede elétrica de CA com um carregador de bordo, OBC, que compreende um corretor de fator de energia, PFC, tendo uma extremidade frontal ativa trifásica, AFE, conectada à rede elétrica de CA, um conversor CC/CC recebendo uma tensão de CC re- gulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão e dispositivos que configuram o OBC para extrair o valor de energia, os dispositivos compreendem os três comutadores SW1, SW2 e SW3 e um braço de diodos tendo os diodos D1 e D2 conectados em série entre um lado de alta e um de baixa da AFE, pelo que os dois comutadores SW1 e SW2 são arranjados entre a AFE e a rede elétrica de CA e podem interromper corrente fluindo entre braços de fases da AFE trifásica, em que o terceiro comutador SW3 é arranjado em uma linha conectando o braço de diodos à rede elétrica de CA. O método compreende extrair o valor de energia ao acionar os três comutadores SW1, SW2 e SW3 em um estado aberto, em resposta ao PFC conectado a uma rede elétrica trifásica, de maneira que os comutadores SW1 e SW2 interrompem cor- rente fluindo entre os braços de fases da AFE trifásica, em que o terceiro comutador SW3 interrompe corrente fluindo entre a rede elétrica trifá- sica e o braço de diodos, de maneira que os três comutadores SW1, SW2 e SW3 e o braço de diodos não conduzem corrente.
[011] Alternativamente, o método compreende a etapa de extrair o valor de energia ao acionar os três comutadores SW1, SW2 e SW3 em um estado fechado em resposta ao PFC conectado a uma rede elétrica monofásica, em que o braço de diodos conduz corrente de tal maneira que os comutadores SW1 e SW2 permitem que corrente flua entre os braços de fases da AFE trifásica, em que o terceiro comutador SW3 é fechado para permitir que corrente flua entre a rede elétrica monofásica e o braço de diodos.
[012] Alternativamente, o método compreende a etapa de extrair o valor de energia ao acionar os três comutadores SW1, SW2 e SW3 em um estado fechado em resposta ao PFC conectado a uma rede elétrica de fase dividida ou uma bifásica, de maneira que os comutadores SW1 e SW2 permitem que corrente flua entre os braços de fases da AFE trifásica, em que o terceiro comutador SW3 é fechado para permitir que corrente flua entre o braço de diodos e uma linha da rede elétrica de fase dividida ou da bifásica.
[013] Consequentemente, em um outro aspecto da presente in- venção, é proposto um método para extrair um valor de energia de uma rede elétrica de CA com um carregador de bordo, OBC, que compre- ende um corretor de fator de energia, PFC, tendo uma extremidade fron- tal ativa trifásica, AFE, conectada à rede elétrica de CA, um conversor CC/CC recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão e um comutador SW2 arran-
jado entre a AFE e a rede elétrica de CA e que pode interromper cor- rente fluindo entre dois braços de fases da AFE trifásica. O método com- preende extrair um valor de energia igual a uma energia máxima de re- ferência extraída de uma rede elétrica trifásica PMÁX3Ø ao acionar o co- mutador SW2 em um estado aberto em resposta ao PFC conectado à rede elétrica trifásica, de maneira que o comutador SW2 interrompe cor- rente fluindo entre os dois braços de fases da AFE trifásica.
[014] Alternativamente, o método compreende a etapa de extrair o valor de energia igual a 2/3 da PMÁX3Ø de referência ao acionar o comu- tador SW2 em um estado fechado em resposta ao PFC ser conectado a uma rede elétrica monofásica de tal maneira que o comutador SW2 permite que corrente flua entre os dois braços de fases da AFE trifásica, em que um terceiro braço de fase da AFE suporta um valor máximo da corrente de linha IMÁX e os dois braços de fases da AFE trifásica supor- tam um valor da corrente de linha igual a 1/2 de IMÁX.
[015] Alternativamente, o método compreende a etapa de extrair a energia igual a 2/3 da PMÁX3Ø de referência ao acionar o comutador SW2 em um estado fechado em resposta ao PFC ser conectado a uma rede elétrica de fase dividida ou uma bifásica de tal maneira que o comutador SW2 permite que corrente flua entre os dois braços de fases da AFE trifásica, em que um terceiro braço de fase da AFE trifásica suporta um valor máximo da corrente de linha IMÁX e os dois braços de fases da AFE suportam um valor da corrente de linha igual a 1/2 de IMÁX.
[016] Em um outro aspecto principal da presente invenção, é pro- posto um carregador de bordo, OBC, que compreende um corretor de fator de energia, PFC, compreendendo uma extremidade frontal ativa trifásica, AFE, conectada a uma rede elétrica de CA, um conversor CC/CC recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão. O OBC compreende disposi- tivos que configuram o OBC para extrair um valor de energia que é igual a uma energia máxima de referência extraída de uma rede elétrica trifá- sica PMÁX3Ø de qualquer tipo de rede elétrica de CA à qual o OBC é conectado, os dispositivos compreendendo os três comutadores SW1, SW2 e SW3 e um braço de diodos tendo os diodos D1 e D2 conectados em série entre um lado de alta e um de baixa da AFE. Além disso, os dois comutadores SW1 e SW2 são arranjados entre a AFE e a rede elétrica de CA e podem interromper corrente fluindo entre braços de fa- ses da AFE trifásica, em que o terceiro comutador SW3 é arranjado em uma linha conectando o braço de diodos e a rede elétrica de CA.
[017] Em alguns exemplos, o OBC compreende adicionalmente um filtro EMI estabelecido entre a rede elétrica e a AFE trifásica.
[018] Em um outro aspecto principal da presente invenção, é pro- posto um carregador de bordo, OBC, que compreende um corretor de fator de energia, PFC, compreendendo uma extremidade frontal ativa trifásica, AFE, conectada a uma rede elétrica de CA, um conversor CC/CC recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão. O OBC compreende adicio- nalmente um comutador SW2 arranjado entre a AFE e a rede elétrica de CA que pode interromper corrente fluindo entre dois braços de fases da AFE trifásica. O valor de energia é igual a uma energia máxima de referência extraída de uma rede elétrica trifásica, PMÁX3Ø, quando a rede elétrica de CA é uma rede elétrica trifásica ao acionar o comutador SW2 em um estado aberto em resposta ao PFC conectado à rede elétrica trifásica de tal maneira que o comutador SW2 interrompe corrente flu- indo entre os dois braços de fases da AFE trifásica.
[019] Alternativamente, o valor de energia é igual a 2/3 da PMÁX3Ø de referência quando a rede elétrica de CA é uma rede elétrica mono- fásica, uma bifásica ou uma de fase dividida de tal maneira que o comu- tador SW2 permite que corrente flua entre os dois braços de fases da AFE trifásica, em que um terceiro braço de fase da AFE trifásica suporta um valor máximo da corrente de linha IMÁX e os dois braços de fases da AFE suportam um valor da corrente de linha igual a 1/2 de IMÁX. Breve Descrição dos Desenhos
[020] Para um melhor entendimento da explicação anterior e so- mente para o propósito de fornecer um exemplo, alguns desenhos não limitativos estão incluídos que representam esquematicamente uma modalidade prática.
[021] A figura 1 mostra um sistema de controle de carregamento convencional de um OBC.
[022] A figura 2 mostra um exemplo de um OBC conectado a uma rede elétrica trifásica de acordo com a presente divulgação.
[023] A figura 3 mostra o OBC proposto conectado a uma rede elé- trica monofásica de acordo com a presente divulgação.
[024] A figura 4 mostra o OBC proposto conectado a uma rede elé- trica de fase dividida ou bifásica de acordo com a presente divulgação.
[025] As figuras 5 e 6 mostram um exemplo de um OBC com um filtro EMI de acordo com a presente divulgação.
[026] As figuras 7, 8 e 9 mostram um outro exemplo de um OBC para uma conexão de rede elétrica trifásica, monofásica, bifásica ou de fase dividida de acordo com a presente divulgação. Descrição de Uma Modalidade Preferida
[027] A figura 1 é um diagrama ilustrando um sistema de controle de carregamento convencional de um OBC (100). De modo convencio- nal, estes sistemas de controle de carregamento têm uma estrutura na qual uma energia de corrente alternada (CA) de uma rede elétrica de fase dividida, monofásica e trifásica pode ser convertida em energia de CC e fornecida como uma fonte de energia de entrada e armazenada em uma fonte de energia de CC como energia por meio de um estágio de corretor de fator de energia (PFC) (120) e de um conversor CC-CC (130). A figura 1 mostra um OBC (100) com um estágio de PFC trifásico
(120) para uma rede elétrica trifásica (110).
[028] Durante carregamento lento, o OBC (100) pode ser configu- rado para retificar e intensificar uma fonte de energia de entrada (por exemplo, uma fonte de energia de CA externa) e converter a fonte de energia de CA em uma fonte de energia de CC para carregar uma ba- teria de alta tensão (140). O OBC pode incluir o conversor CC-CC (130) (conversor de energia) configurado para executar uma operação de li- gação/desligamento de alta frequência. Controle de tensão de en- trada/saída do PFC (120) pode ser executado ao ajustar uma razão de trabalho de um módulo de comutação do PFC (120) e assim a magni- tude de uma tensão de saída do PFC (120) aplicada ao conversor CC- CC (130) pode ser ajustada.
[029] Consequentemente, o conversor CC-CC (130) pode ser con- figurado para ajustar uma tensão e corrente de saída para executar car- regamento de acordo com uma tensão e corrente exigidas na bateria de alta tensão. O conversor CC-CC (130) pode usar uma tensão de saída do PFC (120) como uma tensão de entrada e pode ser configurado para ajustar uma tensão e corrente de saída do OBC (100) ao executar ajuste de frequência e de deslocamento de fase.
[030] O PFC (120) é um corretor de PF e pode ser configurado para reduzir perda de energia gerada em um processo de mudar uma fonte de energia de CA para uma fonte de energia de CC. O PFC (120) pode ser configurado para aumentar eficiência de transmissão de ener- gia ao cancelar uma diferença de fase entre uma tensão e uma corrente da fonte de energia de CA usando um circuito de casamento de impe- dância. O PFC (120) pode incluir um módulo de comutação configurado para equalizar a fonte de energia de CA por meio de controle de modu- lação por largura de pulso (PWM).
[031] Tal como mencionado anteriormente, somente um terço da energia total para redes elétricas trifásicas pode ser entregue em fase única/dividida em uma configuração de OBC convencional tal como mostrado na figura 1, de acordo com: PMÁX3Ø = 3 ∙ Vpn(rms) ∙ Ip(rms) PMÁX1Ø = Vpn(rms) ∙ Ip(rms)
[032] Em um exemplo, desde que a tensão de rede elétrica de fase para neutro seja de 230 Vrms e a corrente de linha máxima exigida seja de 16 Arms, a energia máxima que pode ser extraída da rede elétrica para a rede trifásica é PMÁX3Ø = 11 kW e a energia máxima que pode ser extraída para a monofásica é PMÁX1Ø = 3,7 kW.
[033] A figura 2 mostra um exemplo de um sistema de controle de carregamento com um OBC proposto (200) para uma rede elétrica trifá- sica (210) de acordo com a presente divulgação. O OBC proposto (200) compreende uma AFE trifásica (220) executando como um conversor de PFC e um conversor CC-CC de carregador (230) fornecendo energia de CC para uma bateria de alta tensão (240).
[034] A AFE (220) inclui módulos de comutação (224) configura- dos para equalizar a rede elétrica trifásica (210) por meio de controle de modulação por largura de pulso (PWM). O sistema de carregamento compreende indutâncias de entrada (222) para cada fase da fonte de rede elétrica trifásica e um capacitor (226) para impedir introdução de conteúdo harmônico não desejado.
[035] O OBC proposto (200) compreende adicionalmente disposi- tivos que permitem ao OBC (200) extrair a energia máxima PMÁX3Ø da rede elétrica independentemente do tipo de rede elétrica à qual o OBC é conectado, isto é, os comutadores SW1 e SW2, identificados com o número de referência 250 e o comutador SW3 identificado com o nú- mero de referência 255, assim como os diodos D1 e D2 identificados com o número de referência 260, tal como mostrado na figura 2. Os diodos D1 e D2 são conectados em série entre um lado de alta e um de baixa da AFE (220), pelo que os dois comutadores SW1 e SW2 são arranjados entre a AFE (220) e a rede elétrica de CA e podem interrom- per corrente fluindo entre braços de fases da AFE trifásica (220), em que o terceiro comutador SW3 é arranjado em uma linha conectando o braço de diodos (260) à rede elétrica de CA. Existem três modos de operação do OBC, dependendo de se a AFE (220) do OBC (200) é co- nectada a uma rede elétrica trifásica, monofásica, bifásica ou de fase dividida. A figura 2 mostra o modo de operação para conexão a uma rede elétrica trifásica (210).
[036] O modo de operação do OBC (200) para uma conexão a uma rede elétrica trifásica é o seguinte: Enquanto o OBC (200) está conec- tado a uma rede elétrica trifásica, os comutadores SW1, SW2 e SW3 estão permanentemente abertos tal como mostrado na figura 2 e o es- tágio para PFC se comporta como uma AFE trifásica regular. Neste modo de operação, os diodos D1 e D2 não conduzem corrente. Em um exemplo prático, desde que a tensão efetiva de rede elétrica de fase para neutro seja de 230 Vrms, a energia máxima que pode ser extraída da rede elétrica é PMÁX3Ø = 11 kW (assumindo que o PF=1 e uma cor- rente de linha máxima de 16 Arms por fase). Neste exemplo, a AFE trifá- sica pode ser controlada por meio de uma estratégia de Modulação por Largura de Pulso. Em um outro exemplo, o comutador SW3 não está compreendido no OBC (200). Em um outro exemplo, o OBC (200) extrai energia de uma rede elétrica bifásica.
[037] A figura 3 mostra o OBC proposto (200) de acordo com a presente divulgação conectado a uma rede elétrica monofásica (310). A figura 3 mostra o OBC (200) compreendendo a AFE (220) como conver- sor de PFC e um conversor CC-CC de carregador fornecendo energia de CC para uma bateria de alta tensão. Tal como mencionado anterior- mente, o OBC proposto (200) compreende os comutadores SW1 e SW2 identificados com o número de referência 250 e o comutador SW3 iden- tificado com o número de referência 255, assim como os diodos D1 e
D2 identificados com o número de referência 260. A figura 3 mostra o modo de operação para uma rede elétrica monofásica 310.
[038] Enquanto o OBC (200) está conectado à rede elétrica mono- fásica 310, os comutadores SW2, SW2 e SW3 estão permanentemente fechados. Neste modo de operação, os três braços de fases trabalham em paralelo uns aos outros, cada braço recebendo 1/3 da corrente de linha total Irms e os diodos D1 e D2 conduzindo corrente, formando uma topologia conhecida como retificador Totem-Pole. Consequentemente, os componentes de energia podem ser classificados para 1/3 de Irms para operação monofásica, bifásica, de fase dividida ou trifásica. Tal como está mostrado na figura 3, a rede elétrica monofásica (310) é co- nectada por meio do comutador SW3 ao braço de diodos e entre os diodos D1 e D2. Para este exemplo, desde que a tensão de rede elétrica de fase para neutro Vrms = 230 Vrms, e a corrente de linha total Irms = 48 A e a corrente para cada braço seja igual a 16 Arms, a energia máxima que pode ser extraída da rede elétrica é PMÁX1Ø = PMÁX3Ø = 11 kW (as- sumindo que o PF=1). Os diodos e o SW3 devem ser dimensionados para suportar três vezes (3x) a corrente de linha (por exemplo, 48 Arms neste exemplo). D1 e D2 são diodos de frequência baixa (frequência de linha) e, portanto, seus custos podem ser limitados.
[039] Neste exemplo, cada um dos três braços de fases da AFE (220) pode ser controlado por meio de uma estratégia de Modulação por Largura de Pulso. Os braços podem compartilhar os sinais de controle, ou uma estratégia de modulação diferente tal como, por exemplo, inter- calação, o que pode ser usado para aumentar adicionalmente a densi- dade de energia do conversor de PFC. Isto pode ser alcançado, por exemplo, por meio de filtragem de redução de interferência eletromag- nética EMI e indutores de elevação por causa de redução de harmôni- cos de alta frequência.
[040] A figura 4 mostra o OBC 200 mostrado nas figuras anteriores conectado a uma rede elétrica de fase dividida ou bifásica 410. Este modo de operação é similar ao modo monofásico de operação, tal como pode ser visto na figura 4. A principal diferença neste modo de operação está relacionada com como o ponto central do braço de diodos 260 é conectado à rede elétrica de fase dividida ou bifásica 410.
[041] De modo similar, desde que a tensão de rede elétrica de fase para neutro Vrms = 115 Vrms, de maneira que o OBC 200 perceba uma tensão de entrada equivalente de 230 Vrms, e a corrente de linha seja Irms = 48 Arms, a energia máxima que pode ser extraída da rede elétrica é PMÁX2Ø = PMÁXdividida = PMÁX3Ø = 11 kW. Em fase dividida existe um des- locamento de fase de 180° entre fases. Consequentemente, a tensão de rede elétrica de fase para neutro Vrms_L-N = 115 Vrms. Isto significa que o conversor de PFC percebe 230 Vrms entre as entradas do conversor de PFC. Portanto, uma corrente de linha de 48 Arms é exigida para extrair PMÁXdividida = 11 kW da rede elétrica.
[042] Para o OBC 200 conectado a uma rede elétrica bifásica, tendo uma tensão de rede elétrica de fase para neutro Vrms_L-N = 230 V e um deslocamento de fase de 120°, a energia máxima que pode ser extraída da rede elétrica é PMÁX2Ø = 230 Vrms x √3 x 16 Arms = 6,3 kW e assim a mesma corrente máxima da operação de rede elétrica trifásica é mantida. Em um outro exemplo, a energia máxima que pode ser ex- traída da rede elétrica é PMÁX2Ø = 230 Vrms x √3 x 32 Arms = 12,7 kW ao aplicar o limite de corrente dos componentes de energia do estágio de PFC.
[043] As figuras 5 e 6 mostram um outro exemplo de um OBC pro- posto 500 de acordo com a presente divulgação. O OBC 500 está co- nectado a uma rede elétrica trifásica 510 e compreende um filtro EMI
570. Em particular, EMI se refere à interferência eletromagnética ou per- turbação de propagação em que ondas eletromagnéticas irradiadas ou conduzidas afetam um dispositivo eletrônico. Uma vez que o OBC 500 é conectado diretamente a uma fonte de energia de entrada fonte de energia de sistema que é uma fonte de energia do sistema de controle de carregamento, o filtro EMI 570 pode ser capaz de minimizar fluxo de entrada de ruído gerado no OBC pela fonte de energia de sistema. O uso de um filtro EMI de entrada 570 adiciona graus de liberdade extras relacionados com a localização dos comutadores SW1 e SW2, tal como mostrado na figura 5 e na figura 6.
[044] As figuras 7, 8 e 9 mostram um outro exemplo de um OBC proposto 700 de acordo com a presente divulgação.
[045] O OBC proposto 700 está mostrado na figura 7 em que o OBC 700 está conectado a uma rede elétrica trifásica. A figura 8 e a figura 9 mostram o OBC 700 conectado a uma rede elétrica monofásica e a uma de fase dividida, respectivamente. O OBC 700 compreende somente um único elemento, isto é, o comutador SW2 com o número de referência 750 para extrair uma energia total da rede elétrica depen- dendo do tipo de rede elétrica à qual o OBC 700 é conectado. O comu- tador SW2 é arranjado entre a AFE 220 e a rede elétrica de CA e pode interromper corrente fluindo entre dois braços de fases da AFE trifásica
220. Consequentemente, com um único comutador no estado fechado, o OBC 700 pode obter 2/3 da energia máxima quando conectado a uma rede elétrica monofásica tal como mostrado na figura 8 ou quando co- nectado a uma rede elétrica de fase dividida tal como mostrado na figura
9. Consequentemente, com o OBC proposto 700 conectado a uma rede elétrica monofásica, tal como mostrado na figura 8, a energia máxima que pode ser extraída da rede elétrica é PMÁX1Ø = 2/3PMÁX3Ø. Além disso, com o OBC proposto 700 conectado a uma rede elétrica de fase divi- dida, tal como mostrado na figura 9, PMÁXdividida = 2/3PMÁX3Ø. Além disso, com o OBC proposto 700 conectado a uma rede elétrica bifásica, PMÁX2Ø = 2/3PMÁX3Ø.
[046] O OBC proposto 700 de acordo com a presente divulgação exige que uma das fases seja projetada para suportar a corrente má- xima Imáx no modo monofásico de operação, enquanto que as outras duas fases são projetadas para suportar metade da corrente. No modo de operação monofásico ou de fase dividida ou bifásico, essas duas fa- ses trabalham em paralelo. Estratégias de controle diferentes baseadas em PWM de frequência alta podem ser possíveis, desde que para este exemplo a corrente de linha (Irms = 16 Arms) para cada braço trabalhe em paralelo e a Imáx = 32 Arms. O uso de um filtro EMI de entrada adiciona um grau de liberdade extra que permite colocar o comutador SW2 antes ou depois do filtro EMI.
[047] Com base no exposto anteriormente, a presente divulgação propõe uma arquitetura de estágio de entrada de OBC baseada em uma AFE trifásica que permite operar o OBC com rede elétrica monofásica, trifásica e de fase dividida ou bifásica, assegurar um PF perto de uni- dade e THDi baixa, alcançar uma densidade de energia alta enquanto que usando o número mínimo de componentes e obter uma energia total igual à energia máxima PMÁX3Ø que pode ser extraída de uma rede elé- trica trifásica em redes elétricas monofásica e de fase dividida ou bifá- sica e evitar assim o limite de 1/3 monofásico imposto pelas arquiteturas de AFE convencionais mencionadas anteriormente.
[048] Embora referência tenha sido feita para uma modalidade es- pecífica da invenção, é óbvio para uma pessoa versada na técnica que a arquitetura de estágio de entrada de OBC descrita neste documento é suscetível de inúmeras variações e modificações, e que todos os de- talhes mencionados podem ser substituídos por outros detalhes tecni- camente equivalentes sem divergir do escopo de proteção definido pe- las reivindicações anexas.
[049] Em alguns exemplos, o pedido diz respeito a um primeiro método para extrair uma energia total que é igual a uma energia máxima extraída de uma rede elétrica trifásica PMÁX3Ø de uma rede elétrica de
CA com um carregador de bordo (OBC) que compreende um corretor de fator de energia (PFC) tendo uma extremidade frontal ativa trifásica (AFE) conectada à rede elétrica de CA, um conversor CC/CC recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão e dispositivos que configuram o OBC para extrair a energia total, os dispositivos compreendem os três comutadores SW1, SW2 e SW3 e um braço de diodos tendo os diodos D1 e D2, o primeiro método compreende extrair a energia total ao acionar os três comuta- dores SW1, SW2 e SW3 em um estado aberto que interrompe corrente em reposta ao PFC conectado a uma rede elétrica trifásica, em que o braço de diodos não conduz corrente, ou extrair a energia total ao acio- nar os três comutadores SW1, SW2 e SW3 em um estado fechado que desvia corrente em reposta ao PFC conectado a uma rede elétrica mo- nofásica, em que o braço de diodos conduz corrente, ou extrair a ener- gia total ao acionar os três comutadores SW1, SW2 e SW3 em um es- tado fechado que desvia corrente em reposta ao PFC conectado a uma rede elétrica de fase dividida ou uma bifásica, em que o braço de diodos conduz corrente, e conectar um ponto central do braço de diodos a uma das linhas da rede elétrica de fase dividida ou da bifásica.
[050] Em alguns exemplos, o primeiro método compreende adici- onalmente estabelecer um filtro de interferência eletromagnética (EMI) entre a rede elétrica de CA e a AFE trifásica.
[051] Em alguns exemplos, o pedido diz respeito a um segundo método para extrair uma energia total de uma rede elétrica de CA com um carregador de bordo (OBC) que compreende um corretor de fator de energia (PFC) tendo uma extremidade frontal ativa trifásica (AFE) co- nectada à rede elétrica de CA, um conversor CC/CC recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão e um comutador SW2 que configura o OBC para extrair a energia total da rede elétrica de CA, o segundo método compreende extrair a energia total igual a uma energia máxima extraída de uma rede elétrica trifásica PMÁX3Ø ao acionar o comutador SW2 em um estado aberto que interrompe corrente em reposta ao PFC conectado à rede elétrica trifásica, ou extrair a energia total igual a 2/3 de PMÁX3Ø ao acio- nar o comutador SW2 em um estado fechado que desvia corrente em reposta ao PFC conectado a uma rede elétrica monofásica, em que um primeiro braço de fase da AFE suporta um valor máximo da corrente de linha IMÁX e um segundo e terceiro braços de fases da AFE suportam um valor da corrente de linha igual a 1/2 de IMÁX, ou extrair a energia total igual a 2/3 de PMÁX3Ø ao acionar o comutador SW2 em um estado fechado que desvia corrente em reposta ao PFC conectado a uma rede elétrica de fase dividida ou uma bifásica, em que um primeiro braço de fase da AFE suporta um valor máximo da corrente de linha IMÁX e um segundo e terceiro braços de fases da AFE suportam um valor da cor- rente de linha igual a 1/2 de IMÁX.
[052] Em alguns exemplos, o segundo método compreende adici- onalmente estabelecer um filtro EMI entre a rede elétrica de CA e a AFE trifásica.
[053] Em alguns exemplos, o pedido também diz respeito a um pri- meiro carregador de bordo (OBC), compreendendo um corretor de fator de energia (PFC) compreendendo uma extremidade frontal ativa trifá- sica (AFE) conectada a uma rede elétrica de CA, um conversor CC/CC recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para car- regar uma bateria de alta tensão. O OBC é caracterizado pelo fato de que compreende dispositivos que configuram o OBC para extrair uma energia total que é igual a uma energia máxima extraída de uma rede elétrica trifásica PMÁX3Ø de qualquer tipo de rede elétrica de CA à qual o OBC é conectado, os dispositivos compreendendo os três comutadores SW1, SW2 e SW3 e um braço de diodos tendo os diodos D1 e D2.
[054] Em alguns exemplos, o primeiro OBC compreende adicional- mente um filtro EMI estabelecido entre a rede elétrica e a AFE trifásica.
[055] Em alguns exemplos, o pedido também diz respeito a um se- gundo OBC, compreendendo um corretor de fator de energia (PFC) compreendendo uma extremidade frontal ativa trifásica (AFE) conec- tada a uma rede elétrica de CA, um conversor CC/CC recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão. O OBC é caracterizado pelo fato de que compreende um comutador SW2 que configura o OBC para extrair uma energia total da rede elétrica de CA à qual o OBC é conectado, em que a energia total é igual a uma energia máxima extraída de uma rede elétrica trifásica, PMÁX3Ø, quando a rede elétrica de CA é uma rede elétrica trifásica, em que a energia total é igual a 2/3 de PMÁX3Ø quando a rede elétrica de CA é uma rede elétrica monofásica, uma bifásica ou uma de fase dividida.
[056] Em alguns exemplos, o segundo OBC compreende adicio- nalmente um filtro EMI estabelecido entre a rede elétrica de CA e a AFE trifásica.
Claims (8)
1. Método, caracterizado pelo fato de que é para extrair um valor de energia que é igual a uma energia máxima de referência extra- ída de uma rede elétrica trifásica PMÁX3Ø de uma rede elétrica de CA com um carregador de bordo, OBC, (200) que compreende um corretor de fator de energia, PFC, tendo uma extremidade frontal ativa trifásica, AFE, (220) conectada à rede elétrica de CA, um conversor CC/CC (230) recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para car- regar uma bateria de alta tensão (140) e dispositivo que configura o OBC para extrair o valor de energia, os dispositivos compreendem os três comutadores SW1, SW2 e SW3 e um braço de diodos (260) tendo os diodos D1 e D2 conectados em série entre um lado de alta e um de baixa da AFE (220), pelo que os dois comutadores SW1 e SW2 são arranjados entre a AFE (220) e a rede elétrica de CA e podem interrom- per corrente fluindo entre braços de fases da AFE trifásica (220), em que o terceiro comutador SW3 é arranjado em uma linha conectando o braço de diodos (260) à rede elétrica de CA, o método compreendendo: extrair o valor de energia ao acionar os três comutadores SW1, SW2 e SW3 em um estado aberto, em resposta ao PFC conec- tado a uma rede elétrica trifásica (210), de maneira que os comutadores SW1 e SW2 interrompem corrente fluindo entre os braços de fases da AFE trifásica (220), em que o terceiro comutador SW3 interrompe cor- rente fluindo entre a rede elétrica trifásica (210) e o braço de diodos (260), de maneira que os três comutadores SW1 SW2 e SW3 e o braço de diodos (260) não conduzem corrente; ou extrair o valor de energia ao acionar os três comutadores SW1, SW2 e SW3 em um estado fechado em resposta ao PFC conec- tado a uma rede elétrica monofásica (310), em que o braço de diodos
(260) conduz corrente de maneira que os comutadores SW1 e SW2 per- mitem que corrente flua entre os braços de fases da AFE trifásica (220), em que o terceiro comutador SW3 é fechado para permitir que corrente flua entre a rede elétrica monofásica (310) e o braço de diodos (260); ou extrair o valor de energia ao acionar os três comutadores SW1, SW2 e SW3 em um estado fechado em resposta ao PFC conec- tado a uma rede elétrica de fase dividida ou uma bifásica (410), de ma- neira que os comutadores SW1 e SW2 permitem que corrente flua entre os braços de fases da AFE trifásica (220), em que o terceiro comutador SW3 é fechado para permitir que corrente flua entre o braço de diodos (260) e uma linha da rede elétrica de fase dividida ou da bifásica (410).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: estabelecer um filtro de interferência eletromagnética (EMI) entre a rede elétrica de CA e a AFE trifásica (220).
3. Método, caracterizado pelo fato de que é para extrair um valor de energia de uma rede elétrica de CA com um carregador de bordo, OBC, (700) que compreende um corretor de fator de energia, PFC, tendo uma extremidade frontal ativa trifásica, AFE, (220) conec- tada à rede elétrica de CA, um conversor CC/CC (230) recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão (140) e um comutador SW2 arranjado entre a AFE (220) e a rede elétrica de CA e que pode interromper corrente fluindo entre dois braços de fases da AFE trifásica (220), o método compreendendo: extrair um valor de energia igual a uma energia máxima de referência extraída de uma rede elétrica trifásica PMÁX3Ø, ao acionar o comutador SW2 em um estado aberto em resposta ao PFC conectado à rede elétrica trifásica (210) de maneira que o comutador SW2 inter- rompe corrente fluindo entre os dois braços de fases da AFE trifásica (220); ou extrair o valor de energia igual a 2/3 da PMÁX3Ø de referência ao acionar o comutador SW2 em um estado fechado em resposta ao PFC ser conectado a uma rede elétrica monofásica (310) de maneira que o comutador SW2 permite que corrente flua entre os dois braços de fases da AFE trifásica (220), em que um terceiro braço de fase da AFE suporta um valor máximo da corrente de linha IMÁX e os dois braços de fases da AFE trifásica (220) suportam um valor da corrente de linha igual a 1/2 de IMÁX; ou extrair a energia igual a 2/3 da PMÁX3Ø de referência ao acio- nar o comutador SW2 em um estado fechado em resposta ao PFC ser conectado a uma rede elétrica de fase dividida ou uma bifásica (410) de maneira que o comutador SW2 permite que corrente flua entre os dois braços de fases da AFE trifásica (220), em que um terceiro braço de fase da AFE trifásica (220) suporta um valor máximo da corrente de li- nha IMÁX e os dois braços de fases da AFE (220) suportam um valor da corrente de linha igual a 1/2 de IMÁX.
4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: estabelecer um filtro EMI entre a rede elétrica de CA e a AFE trifásica (220).
5. Carregador de bordo, OBC, (200), compreendendo: um corretor de fator de energia, PFC, compreendendo uma extremidade frontal ativa trifásica, AFE, (220) conectada a uma rede elétrica de CA; um conversor CC/CC (230) recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão (140), caracterizado pelo fato de que compreende: dispositivos que configuram o OBC para extrair um valor de energia que é igual a uma energia máxima de referência extraída de uma rede elétrica trifásica PMÁX3Ø de qualquer tipo de rede elétrica de CA à qual o OBC é conectado, os dispositivos compreendendo os três comutadores SW1, SW2 e SW3 e um braço de diodos (260) tendo os diodos D1 e D2 conectados em série entre um lado de alta e um de baixa da AFE (220), pelo que os dois comutadores SW1 e SW2 são arranjados entre a AFE (220) e a rede elétrica de CA e podem interrom- per corrente fluindo entre braços de fases da AFE trifásica (220), em que o terceiro comutador SW3 é arranjado em uma linha conectando o braço de diodos (206) e a rede elétrica de CA.
6. OBC de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um filtro EMI estabelecido entre a rede elétrica e a AFE trifásica (220).
7. Carregador de bordo OBC (700), compreendendo: um corretor de fator de energia, PFC, compreendendo uma extremidade frontal ativa trifásica, AFE, (220) conectada a uma rede elétrica de CA; um conversor CC/CC (230) recebendo uma tensão de CC regulada do PFC e configurado para carregar uma bateria de alta tensão (140), caracterizado pelo fato de que compreende: um comutador SW2 arranjado entre a AFE (220) e a rede elétrica de CA que pode interromper corrente fluindo entre dois braços de fases da AFE trifásica (220), em que o valor de energia é igual a uma energia máxima de referência extraída de uma rede elétrica trifásica (210), PMÁX3Ø, quando a rede elétrica de CA é uma rede elétrica trifásica ao acionar o comuta- dor SW2 em um estado aberto em resposta ao PFC conectado à rede elétrica trifásica (210) de maneira que o comutador SW2 interrompe cor- rente fluindo entre os dois braços de fases da AFE trifásica (220), em que o valor de energia é igual a 2/3 da PMÁX3Ø de referên- cia quando a rede elétrica de CA é uma rede elétrica monofásica, uma bifásica ou uma de fase dividida de maneira que o comutador SW2 per- mite que corrente flua entre os dois braços de fases da AFE trifásica (220), em que um terceiro braço de fase da AFE trifásica (220) suporta um valor máximo da corrente de linha IMÁX e os dois braços de fases da AFE suportam um valor da corrente de linha igual a 1/2 de IMÁX.
8. OBC de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um filtro EMI estabelecido entre a rede elétrica de CA e a AFE trifásica (220).
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