ES2445498B1 - Sistema de suministro de tensión eléctrica recargable - Google Patents
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Abstract
Sistema de suministro de tensión eléctrica recargable, que comprende una batería (1.1) provista de una pluralidad de células (C{sub,Ax1,}, C{sub,Ax2},
C{sub,Axn}) conectadas en serie, una salida de tensión (V{sub,o}) destinada a una carga (2), una entrada de tensión (V{sub,I}) para la recarga, un primer módulo convertidor (3) dispuesto entre la batería (1) y la salida (V{sub,o}), sensores (5) de variables físicas de la batería (1) que reflejan su estado de carga, que comprende unos circuitos (EMU{sub,Ax1}, EMU{sub,Ax2},
EMU{sub,Axn}) controlados de by-pass de las células (C{sub,Ax1,}, C{sub,Ax2},
C{sub,Axn}) y un dispositivo de gestión de la batería (6) de los circuitos (EMU{sub,Ax1}, EMU{sub,Ax2},
EMU{sub,Axn}) que recibe señales provenientes de los sensores (5), de modo que es posible equilibrar el estado de carga de las células (C{sub,Ax1,}, C{sub,Ax2},
C{sub,Axn}) obteniéndose una tensión variable (V{sub,int}) a la salida de la batería (1) que puede ser adaptada a la salida de tensión (V{sub,o}) mediante el primer convertidor (3).
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de suministro de tensión eléctrica recargable.
La presente invención se refiere a un sistema de suministro de tensión eléctrica recargable que optimiza la utilización de energía mediante un equilibrado no resistivo de las células de la batería del sistema.
Antecedentes de la invención 5
Son conocidos los sistemas de suministro de tensión eléctrica recargable, que comprenden una batería provista de una pluralidad de células conectadas en serie, una salida de tensión destinada a una carga, una entrada de tensión para la recarga, un primer módulo convertidor dispuesto entre la batería y la salida y sensores de variables físicas de la batería que reflejan su estado de carga.
Es el caso de WO201150191, que se considera el estado de la técnica más cercano y en el que se describe un 10 dispositivo de equilibrado de carga de baterías provisto de circuitos de protección contra inversión de polaridad de células de batería.
En WO2011070517 se emplea un equilibrado activo de la redistribución de energía provisto de elementos reactivos, tales como transformadores o inductores, que transfieren la energía entre células. No se plantea la desconexión ni una salida con niveles de tensión escalonados ni el sistema de control de convertidor a partir de señales del dispositivo de 15 gestión de dichos elementos activos.
En IT2009VI0254 (WO2011047741) y WO2011042243, similares a la anterior, se describen dispositivos de equilibrado mediante elementos disipativos.
Sin embargo, en todos estos dispositivos se emplean resistencias dispuestas en paralelo con la célula, con las pérdidas energéticas que ello supone. 20
Para superar el mencionado inconveniente de la técnica, la presente invención propone un sistema de suministro de tensión eléctrica recargable, que comprende:
- una batería provista de una pluralidad de células conectadas en serie;
- una salida de tensión destinada a una carga; 25
- una entrada de tensión para la recarga;
- un primer módulo convertidor dispuesto entre la batería y la salida;
- sensores de variables físicas de la batería que reflejan su estado de carga;
que se caracteriza por el hecho de que comprende unos circuitos controlados de by-pass de las células y un dispositivo de gestión de la batería de los circuitos que recibe señales provenientes de los sensores, de modo que es posible 30 equilibrar el estado de carga de las células obteniéndose una tensión variable a la salida de la batería que puede ser adaptada a la salida de tensión mediante el primer convertidor.
Preferentemente, el sistema comprende lazos de realimentación y bus de comunicación entre el dispositivo de control y los módulos convertidores, de modo que estos pueden conocer de antemano las variaciones de tensión y adaptar mejor su funcionamiento a las variaciones de la tensión de la batería. 35
Ventajosamente, el sistema comprende un segundo módulo convertidor dispuesto entre la entrada y la batería obteniéndose una tensión variable a la salida de la batería que puede ser adaptada a la entrada mediante el segundo convertidor.
Según una variante del sistema, cada uno de los circuitos controlados de by-pass de las células comprenden un interruptor de célula controlado, un interruptor de bypass controlado y un diodo dispuestos en paralelo. 40
Según otra variante, cada uno de los circuitos controlados de by-pass de las células comprenden un interruptor de célula controlado, y un diodo dispuestos en paralelo.
Más ventajosamente, el sistema comprende para cada circuito controlado un circuito driver de accionamiento, que es controlado por el dispositivo de gestión de la batería.
Preferentemente, el sistema comprende para cada circuito controlado un circuito de acondicionamiento de las señales 45 provenientes de los sensores de variables físicas de la batería.
Ventajosamente, las señales provenientes de los sensores de variables físicas de la batería son de Tensión, Corriente
y/o Temperatura.
Finalmente, se pueden integrar en un único bloque los siguientes componentes:
- la batería;
- los sensores;
- los circuitos controlados; 5
- el primer y/o el segundo módulo convertidor;
La invención también se refiere a un vehículo provisto de un sistema según cualquiera de las variantes de la invención descritas.
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan 10 sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.
La figura 1 representa esquemáticamente un circuito de equilibrado según la invención.
La figura 2 representa una versión simplificada del circuito de equilibrado.
La figura 3 representa la integración de los módulos convertidores y del sistema de equilibrado, con un lazo de realimentación con la carga. 15
En la figura 1 se ilustra una típica arquitectura eléctrica de un vehículo eléctrico. En ella se pueden distinguir los principales módulos:
4: Módulo convertidor AC-DC: este módulo convertidor carga la batería desde la red eléctrica G o cualquier otro tipo de fuente de energía eléctrica, placa fotovoltaica, pila combustible. Habitualmente el convertidor AC-DC funciona como 20 corrector activo del factor de potencia (en inglés Power Factor Corrector, PFC). Si el convertidor es bidireccional, también puede inyectar energía a la red eléctrica.
3: Módulo convertidor: 1ª Opción: convertidor DC-AC, este módulo se encarga del accionamiento del motor 2;
2ª Opción: convertidor DC-DC, el convertidor garantiza una tensión DC regulada a la entrada del accionamiento del motor. En ambos casos, si el convertidor es bidireccional puede inyectar energía a la batería desde el motor: 25 funcionamiento como frenado regenerativo.
1: Módulo de Almacenamiento de Energía MAE: constituido por la batería o conjunto de baterías, o cualquier tecnología de almacenamiento de energía que precise de equilibrado, tal como supercondensadores. En general, también incluye un módulo de gestión de la batería 6 y un sistema de equilibrado de tipo activo o pasivo, como los descritos en antecedentes, por ejemplo. 30
Tal como se puede apreciar en la figura 1, la invención se refiere a un sistema de suministro de tensión eléctrica recargable, que comprende:
- una batería 1.1 provista de una pluralidad de células CAx1, CAx2, ... CAxn conectadas en serie;
- una salida de tensión VO destinada a una carga 2;
- una entrada de tensión VI para la recarga; 35
- un primer módulo convertidor 3 dispuesto entre la batería 1 y la salida VO;
- sensores 5 de variables físicas de la batería 1.1 que reflejan su estado de carga;
Concretamente, tal como se aprecia en la figura 1, el sistema de la invención comprende unos circuitos EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn controlados de by-pass de las células CAx1, CAx2, ... CAxn y un dispositivo de gestión de la batería 6 de los circuitos EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn que recibe señales provenientes de los sensores 5, de modo que es posible 40 equilibrar el estado de carga de las células CAx1, CAx2, ... CAxn obteniéndose una tensión variable Vint a la salida de la batería 1.1 que puede ser adaptada a la salida de tensión VO mediante el primer convertidor 3.
Se destaca que en la presente descripción batería engloba tanto las células que suministran tensión como los circuitos EMU de bypass de las células.
Según una realización especialmente preferida, se prevé un segundo módulo convertidor 4 dispuesto entre la entrada VI y la batería 1.1 obteniéndose una tensión variable Vint a la salida de la batería 1.1 que puede ser adaptada a la entrada VI mediante el segundo convertidor 4.
También se prevén unos lazos de realimentación C1, C2 y un bus de comunicación entre el dispositivo de control 6 y los módulos convertidores 3, 4, de modo que estos pueden conocer de antemano las variaciones de Vint y adaptar mejor su 5 funcionamiento a las variaciones de la tensión de la batería 1.1.
Cada uno de los circuitos EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn controlados de by-pass de las células CAx1, CAx2, ... CAxn comprenden un interruptor de célula controlado SDAx1, SDAx2, ... SDAxn, un interruptor de bypass controlado SCAx1, SCAx2, ... SCAxn y un diodo DAx1, DAx2, ... DAxn dispuestos en paralelo.
Tal como se aprecia en la figura 2, los circuitos EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn controlados de by-pass de las células CAx1, 10 CAx2, ... CAxn se pueden implementar con un interruptor de célula controlado SDAx1, SDAx2, ... SDAxn, y un diodo DAx1, DAx2, ... DAxn dispuestos en paralelo.
Tal como se aprecia en la figura 1, cada circuito EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn controlado comprende un circuito driver de accionamiento GDUAx1, GDUAx2, ... GDUAxn, que es controlado por el dispositivo de gestión de la batería 6.
Asimismo se prevé para cada circuito EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn controlado un circuito de acondicionamiento AUAx1, 15 AUAx2, ... AUAxn de las señales provenientes de los sensores 5 de variables físicas de la batería 1.1.
Las señales provenientes de los sensores 5 de variables físicas de la batería 1.1 son de Tensión VCAx1, VCAx2, ... VCAxn, Corriente ICAx1, ICAx2, ... ICAxn y/o Temperatura TCAx1, TCAx2, ... TCAxn.
Asimismo, los interruptores controlados de bypass SCAxn y SDAxn pueden estar provistos de un circuito de protección para evitar sobretensiones. 20
Tal como se muestra esquemáticamente en la figura 3, se integran en un único bloque C los siguientes componentes:
- la batería 1.1;
- los sensores 5;
- los circuitos controlados EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn;
- el primer 3 y/o el segundo 4 módulo convertidor; 25
de modo que el conjunto C se aprecia externamente como una batería que suministra una tensión constante.
MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA PROPUESTO (EJEMPLO DE APLICACIÓN PARA VEHÍCULO ELECTRICO)
Existen varios modos de funcionamiento del sistema de equilibrado propuesto que pueden clasificarse, de manera general, en función del signo de la corriente de la batería (i.e. si la batería se esta cargando IBAT>0 o si se esta 30 descargando IBAT<0) y del origen de la energía (i.e. si la energía proviene del motor, de la red eléctrica o de la propia batería). Teniendo en cuenta estas situaciones se pueden definir cuatro modos de funcionamiento (tabla I):
- Modo M1: Equilibrado durante la carga de la batería a través de la red eléctrica
- Modo M2: Equilibrado durante la carga de la batería a través del motor, frenado regenerativo
- Modo M3: Equilibrado durante la descarga de la batería, alimenta al motor 35
- Modo M4: Equilibrado durante la descarga de la batería para inyectar energía en la red eléctrica
Tabla I: Modos de funcionamiento del sistema de equilibrado
- Modo
- Batería IBAT Fuente de energía Descripción Modo funcionamiento Convertidor bidireccional 4 Modo funcionamiento Convertidor bidireccional 3
- M1
- >0, carga red eléctrica Típica carga desde una toma de corriente Como AC-DC, PFC Convertidor 3 no funciona. En estos momentos el motor no funciona, el vehículo esta parado cargándose
- M2
- >0, carga Motor Frenado regenerativo: el motor funciona como generador. Convertidor 4 no funciona. En estos momentos el motor funciona, el vehículo esta en movimiento y no puede estar conectado a la toma de la red eléctrica AC-DC, i.e. la energía va del motor a la batería.
- M3
- <0, descarga batería El motor se alimenta desde la batería a través del convertidor bidireccional 3 Convertidor 4 no funciona. En estos momentos el motor funciona el vehículo esta en movimiento y no puede estar conectado a la toma de la red eléctrica DC-AC Accionamiento del motor
- M4
- <0, descarga batería la batería cede energía la red En este caso funciona como DC-AC, la energia va del puerto de salida (DC) al puerto de entrada (AC) En estos momentos el motor no funciona, el vehículo esta parado.
El equilibrado de las células de las baterías puede realizarse en cualquiera de los modos de funcionamiento descritos en la tabla I. La figura 1 ilustra el circuito de equilibrado genérico que puede operar en cualquiera de los 4 modos citados anteriormente. Es posible también, por cuestiones de coste, que el equilibrado se efectúe en grupos de 2 más células, 5 es decir que el componente referenciado como CAxn represente a un conjunto de dos o más células.
Funcionamiento de los convertidores en cada modo de funcionamiento:
M1- La batería se carga a través del Convertidor-Bidireccional 4. Este convertidor actúa como un convertidor AC-DC. El convertidor bidireccional puede ser un convertidor individual AC-DC o puede ser el fruto de la interconexión de varios convertidores modulares, ya sea mediante una conexión en cascada, en paralelo u otras. 10
M2- La batería se carga a través del Convertidor-Bidireccional 3: funcionamiento de la máquina eléctrica como generador Este convertidor actúa como un convertidor AC-DC. El convertidor bidireccional puede ser un convertidor individual AC-DC o puede ser el fruto de la interconexión de varios convertidores modulares, ya sea mediante una conexión en cascada, en paralelo u otras
M3- La batería se descarga a través del convertidor bidireccional 3: funcionamiento de la máquina eléctrica como motor. 15 El convertidor bidireccional puede ser un convertidor individual DC-AC o puede ser el fruto de la interconexión de varios convertidores modulares, ya sea mediante una conexión en cascada, en paralelo u otras.
M4- La batería se descarga a través del Convertidor-Bidireccional 4 (en este caso la batería suministra energía a la red eléctrica.
Tal como se puede apreciar a partir en la figura 1, se prevén dos buses de comunicación C1 y C2. A través de estos 20 buses el módulo de gestión de la batería 6 envía información a los módulos convertidores. Por ejemplo, el módulo de gestión de la batería 6 puede avisar a los módulos convertidores de que se va a producir una perturbación de la tensión de la batería. De esta forma los módulos convertidores pueden preparar la acción de control necesaria para compensar la variación de tensión. Al mismo tiempo el módulo de gestión de la batería 6 puede recibir información de los módulos convertidores informando de que en determinado instante no es conveniente realizar ningún equilibrado o todo lo 25 contrario, que en ese momento es el momento idóneo para hacerlo. Por ejemplo, puede ser el caso de un vehículo parado en semáforo.
MODO EQUILIBRADO SIMPLIFICADO
El modo de equilibrado más simple es el equilibrado en el modo de descarga. Esto es debido a que el circuito EMU solo
necesita de un interruptor bidireccional SDaxn y un diodo Daxn. Este es el modo más fácil y económico de implementar el sistema de equilibrado propuesto. La figura 2 ilustra el circuito EMU asociado a este modo de equilibrado.
Sin embargo, puede ocurrir por ejemplo que una de las células se haya degradado en exceso reduciendo su capacidad. En este sentido, el estado de plena carga se alcanzaría en diferente momento que el resto. Así pues, se hace necesario bypassear esta célula, durante la carga, abriendo SD y cerrando SC. Para ello se necesita el interruptor SC de la 5 variante ilustrada en la figura 1.
Lo mismo ocurriría en el caso de que una célula deteriorada se descargue mucho más rápidamente que las otras, en este sentido se inutilizarían o bypassearían durante el proceso de descarga de la batería. Esta maniobra puede hacerse tanto con la versión completa como con la simplificada.
Finalmente, una célula averiada debería poder ser desconectada definitivamente manteniendo cerrado indefinidamente 10 SC y abierto SD. En este caso se necesita el interruptor SC de la variante ilustrada en la figura 1.
En resumen, se aprecia que el circuito genérico EMUAxn de la figura 1 aunque tiene un mayor numero de elementos sería el que proporcionaría mejores prestaciones del sistema incluso aportando un cierto grado de tolerancia a fallos cuando una o varias células estuviesen averiadas.
Tal como se ilustra en la figura 3, se prevé una integración total en el sistema de almacenaje de todos los módulos 15 convertidores de la figura 1. De esta forma, el conjunto C seria visto desde el exterior como un sistema con una entrada y una salida con capacidad para albergar una determinada cantidad de energía. En la entrada se podría conectar la red eléctrica de corriente alterna o un bus de corriente continua y en la salida, se podría conectar la carga. La carga podría ser de corriente continua (entrada del accionamiento eléctrico del motor) o alterna (suponiendo que el accionamiento del motor de AC está también integrado en el módulo C). Internamente se aseguraría el equilibrado de las células de la 20 batería mediante la invención.
En este caso C puede llevar integrado el accionamiento del motor, de ahí que sea necesario prever el lazo de feedback C3 mostrado en la figura 3.
Además el sistema tendría la capacidad de recibir y enviar la información de la carga o de la red eléctrica para la realización de determinadas tareas 25
Una opción alternativa interesante seria la siguiente:
El sistema llevaría integrado el módulo convertidor 3, la batería, el sistema de equilibrado y el módulo convertidor 4. El módulo convertidor 4 seria bidireccional y permitiría la carga/descarga de la batería desde/hacia la red. El módulo convertidor 3 regularía la tensión de salida independientemente de las perturbaciones introducidas por el sistema de equilibrado al bypassear células. De esta forma la carga no distinguiría entre la salida de una batería y la salida del 30 modulo convertidor. La diferencia respecto el caso anterior radica en el hecho de que C no incluye el convertidor que realiza el accionamiento del motor.
A pesar de que se ha hecho referencia a una realización concreta de la invención, es evidente para un experto en la materia que el sistema descrito es susceptible de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden ser substituidos por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección 35 definido por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (10)
- REIVINDICACIONES1. Sistema de suministro de tensión eléctrica recargable, que comprende:- una batería (1.1) provista de una pluralidad de células (CAx1, CAx2, ... CAxn) conectadas en serie;- una salida de tensión (VO) destinada a una carga (2);- una entrada de tensión (VI) para la recarga; 5- un primer módulo convertidor (3) dispuesto entre la batería (1.1) y la salida (VO);- sensores (5) de variables físicas de la batería (1.1) que reflejan su estado de carga;caracterizado por el hecho de que comprende unos circuitos (EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn) controlados de by-pass de las células (CAx1, CAx2, ... CAxn) y un dispositivo de gestión de la batería (6) de los circuitos (EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn) que recibe señales provenientes de los sensores (5), de modo que es posible equilibrar el estado de carga de las 10 células (CAx1, CAx2, ... CAxn) obteniéndose una tensión variable (Vint) a la salida de la batería (1.1) que puede ser adaptada a la salida de tensión (VO) mediante el primer convertidor (3).
- 2. Sistema según la reivindicación 1, que comprende lazos de realimentación y bus de comunicación entre el dispositivo de gestión de la batería (6) y los módulos convertidores (3, 4), de modo que estos pueden conocer de antemano las variaciones de (Vint) y adaptar mejor su funcionamiento a las variaciones de la tensión de la batería (1). 15
- 3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un segundo módulo convertidor (4) dispuesto entre la entrada (VI) y la batería (1.1) obteniéndose una tensión variable (Vint) a la salida de la batería (1.1) que puede ser adaptada a la entrada (VI) mediante el segundo convertidor (4).
- 4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada uno de los circuitos (EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn) controlados de by-pass de las células (CAx1, CAx2, ... CAxn) comprenden un interruptor de célula controlado 20 (SDAx1, SDAx2, ... SDAxn), un interruptor de bypass controlado (SCAx1, SCAx2, ... SCAxn) y un diodo (DAx1, DAx2, ... DAxn) dispuestos en paralelo.
- 5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que cada uno de los circuitos (EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn) controlados de by-pass de las células (CAx1, CAx2, ... CAxn) comprenden un interruptor de célula controlado (SDAx1, SDAx2, ... SDAxn), y un diodo (DAx1, DAx2, ... DAxn) dispuestos en paralelo. 25
- 6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende para cada circuito (EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn) controlado un circuito driver de accionamiento (GDUAx1, GDUAx2, ... GDUAxn), que es controlado por el dispositivo de gestión de la batería (6).
- 7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende para cada circuito (EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn) controlado un circuito de acondicionamiento (AUAx1, AUAx2, ... AUAxn) de las señales provenientes de los 30 sensores (5) de variables físicas de la batería (1.1).
- 8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las señales provenientes de los sensores (5) de variables físicas de la batería (1.1) son de Tensión (VCAx1, VCAx2, ... VCAxn), Corriente (ICAx1, ICAx2, ... ICAxn) y/o Temperatura (TCAx1, TCAx2, ... TCAxn).
- 9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se integran en un único bloque (C) los 35 siguientes componentes:- la batería (1.1);- los sensores (5);- los circuitos controlados (EMUAx1, EMUAx2, ... EMUAxn);- el primer (3) y/o el segundo (4) módulo convertidor; 40
- 10. Vehículo provisto de un sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2445498 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20150120 |