ES2556682B1 - Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos - Google Patents

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Abstract

Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos que utiliza una estación de carga dotada de una pluralidad de módulos resonantes controlables independientemente, cada uno con su correspondiente bobina primaria de acoplamiento, que actúa sobre vehículos eléctricos dotados a su vez con uno o varios módulos resonantes, que pueden ir conectados en paralelo o en serie, cada uno con su correspondiente bobina secundaria de acoplamiento, uno o varios módulos convertidores, y el oportuno conjunto de baterías.#La invención que se presenta aporta la principal ventaja de permitir disponer de una estación de carga multifuncional, adaptable automáticamente a vehículos eléctricos con baterías de distintas potencias o tensiones de trabajo.

Description

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DESCRIPCION
Sistema modular de carga inductiva para vehlcuios electricos.
La presente memoria descriptiva se refiere, como su tltulo indica, un sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos que utiliza una estacion de carga dotada de una pluralidad de modulos resonantes controlables independientemente, cada uno con su correspondiente bobina primaria de acoplamiento, que actua sobre vehlculos electricos dotados a su vez con uno o varios modulos resonantes, que pueden ir conectados en paralelo o en serie, cada uno con su correspondiente bobina secundaria de acoplamiento, uno o varios modulos convertidores, y el oportuno conjunto de baterlas.
Campo de la invencion
La invencion se engloba dentro de los dispositivos de carga inductiva para vehlculos electricos, del tipo de los que comprenden un dispositivo primario dispuesto como estacion de carga normalmente fija y uno o varios dispositivos secundarios ubicados en los vehlculos electricos, estando ambos acoplados inductivamente entre si para la transferencia de energla electrica que origine la carga de la baterla del vehlculo electrico mientras esta parado.
Antecedentes de la invencion
En la actualidad la tecnologla de carga inductiva, sin contacto electrico, es ampliamente conocido y utilizada para la recarga de baterlas incluidas en vehlculos electricos, tal y como podemos encontrar reflejado, por ejemplo en las patentes US2010123451 “Inductive power transfer system and method1, US2008238364 "System for inductive power transfer’, KR101038350 “Non-contact type inductive power transfer device for electric vehicle”, WO2013012585 "Wireless power transfer electric vehicle supply equipment installation and validation tool', US2012010341 “Ultra slim power supply device and power adquisition device for electric vehicle”, US20120186927 “Power supply device, power adquisition device and safety system for electromagnetic induction powered electric vehicle” y EP2584665 " Wireless high power transfer under regulatory constraints", pero todas estas realizaciones tienen una problematica comun: la transferencia de potencia debe de estar calculada y optimizada para unas determinadas potencias y tensiones de baterla, con el fin de minimizar las perdidas de energla innatas a una transferencia inductiva. Ello implica que, por cada tipo de vehlculo, de potencia motora, de capacidad de baterlas y de tension de baterlas, sea necesario un sistema de carga diferenciado, lo cual es un gran problema, maxime al no existir ninguna estandarizacion en los vehlculos electricos, lo cual da pie a una gran dispersion de caracterlsticas entre los distintos fabricantes. As! es comun ver sistemas de carga desde pocos kW hasta cerca de 200kW, as! como tensiones en las baterlas desde 200V hasta mas de 800V, lo cual hace impensable tecnicamente una estacion de carga comun para todos ellos.
Se conocen asimismo algunos sistemas de control para minimizar las perdidas originadas por los desalineamientos entre las bobinas de acoplamiento, como por ejemplo las patentes
WO2009144354 “High-frequency inductive coupling power transfer system and associated method’ y WO 2009144355 “Automatic method for controlling a high-frequency inductive coupling power transfer system” que presentan un sistema que mantiene la potencia transferida compensando desajustes de hasta el 99% de la superficie del secundario. En la misma llnea trabajan realizaciones como las descritas en las patentes TW200832883 “Power supply and charger for series-parallel loosely coupled inductive power transfer system“ y TW200810315 “Power circuit component parameters design method for compensating the loosely coupled inductive power transfer system”. Algunos dispositivos, como por ejemplo el descrito en la patente WO2013046104 “Coil configurations for Inductive Power Transfer’ utiliza multiples circuitos resonantes para mejorar la eficiencia de la transferencia de potencia a diferentes distancias entre primario y secundario, pero ninguna de estas realizaciones consigue
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compensar diferencias de potencia y/o tensiones como existen entre los distintos fabricantes de vehlcuios electricos, siguiendo necesitando de estaciones de carga diferentes para cada uno.
Tambien existen algunas realizaciones, como las descritas en la patente GB2474867 “Transferring electric energy to a vehicle, using a system which comprises consecutive segments for energy transfer’ que plantean la utilization de multiples elementos resonantes en el primario, distribuidos longitudinalmente, para transferir energla a un secundario ubicado en un vehlculo en movimiento, para permitir la carga de este vehlculo mientras esta en movimiento, por ejemplo en el caso de un tranvla, autobus o tren o similar, que no permanecen en una parada el tiempo suficiente para la carga por lo que hay que complementarlo con una carga mientras esta en movimiento cerca de la parada. Estas tecnicas tambien se citan en la publication “Coil design and shielding methods for a magnetic resonant wireless power transfer system” (Proceedings of the IEEE, Vol 101,N°6, Junio 2013). Al igual que en el caso anterior no consigue mediante esta tecnica compensar diferencias de potencia y/o tensiones como existen entre los distintos fabricantes de vehlculos electricos, siguiendo necesitando de estaciones de carga diferentes para cada uno.
De la misma forma, se conocen algunas realizaciones, como la descrita en la patente WO2013012480 "Regulation control and energy management scheme for wireless power transfer" que utilizan comunicaciones inalambricas para la transferencia de parametros entre primario y secundario, pero no en un contexto modular de multiples convertidores que permita compensar diferencias de potencia y/o tensiones como existen entre los distintos fabricantes de vehlculos electricos.
Description de la invention
Para solventar la problematica existente en la actualidad en la recarga de vehlculos electricos mientras el vehlculo esta parado con diferentes necesidades de potencia, tension de baterla, etc.., se ha ideado el sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos objeto de la presente invencion, el cual utiliza una estacion de carga, conformada como un convertidor AC/DC que alimenta a una pluralidad de modulos resonantes controlables independientemente, que pueden ser de distintas potencias o de la misma y de distintas frecuencias o de la misma, cada uno con su correspondiente bobina primaria de acoplamiento.
Los vehlculos electricos a cargar utilizan a su vez uno o varios modulos resonantes, cada uno con su correspondiente bobina secundaria de acoplamiento, uno o varios modulos convertidores aC/DC (6), y el oportuno conjunto de baterlas.
En caso de varios modulos resonantes en el vehlculo electrico pueden ir conectados en paralelo o en serie. Iran conectados en paralelo cuando se desee sumar la corriente transferida desde los modulos resonantes de la estacion de carga, consiguiendo de esta forma adaptar perfectamente las necesidades de potencia requeridas por el vehlculo electrico. Iran conectados en serie cuando se desee sumar la tension entregada por cada uno, consiguiendo cargar conjuntos de baterlas de mayor tension nominal y pudiendo alcanzar la potencia demandada por el vehlculo.
El funcionamiento de este sistema de carga comporta asimismo una configuration de conexion y control automaticos tanto del convertidor AC/DC como de los modulos resonantes de la estacion de carga, como de todo el proceso de carga, en funcion de una information proporcionada por el propio vehlculo electrico mediante un protocolo de comunicacion inalambrico con la estacion de carga. Esta informacion incluye datos de configuracion serie o paralelo, identification para el cobro, estado de la carga de la baterla y otras senales de control.
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Este sistema modular de carga inductiva es susceptible de uso para multiples tipos de vehlcuios electricos, desde bicicletas, motocicletas o coches electricos de uso personal, pasando por furgonetas, camiones u otros vehlculos industriales, hasta trenes o tranvlas.
Ventajas de la invencion
Este sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos que se presenta aporta multiples ventajas entre las que podemos destacar que permite disponer de una estacion de carga multifuncional, adaptable automaticamente a vehlculos electricos con baterlas de distintas potencias o tensiones de trabajo.
Otra ventaja importante es que evita la necesidad de estaciones de cargas especlficamente adaptadas para cada tipo de vehlculo, facilitando el servicio a vehlculos de diferentes fabricantes y de diferentes aplicaciones.
Es importante destacar la ventaja anadida que supone la posibilidad de combinar entre si modulos resonantes de diversas potencias y frecuencias, para una mejor adecuacion a diversos tipos de vehlculos.
Otra destacable ventaja es que, al realizar el control en el primario, se puede ajustar la tension de trabajo en un amplio margen.
Tambien debemos resaltar que este sistema de carga es susceptible de realization con cualquier topologla resonante de las conocidas, permitiendo incluso la combination de varias de ellas.
Destacar asimismo que pueden implementarse tecnologlas de control que permitan compensar las posibles faltas de alineamiento entre las bobinas del primario y del secundario, para minimizar las perdidas y optimizar la transferencia de energla.
No debemos dejar de resaltar la ventaja que implica la perfecta optimization de parametros de la transferencia de potencia en la carga, minimizando las perdidas electricas y disminuyendo por tanto el coste economico de la recarga.
Description de las figuras
Para comprender mejor el objeto de la presente invencion, en el plano anexo se ha representado una realizacion practica preferencial de un sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos. En dicho plano la figura -1- muestra un diagrama de bloques simplificado generico.
La figura -2- muestra un diagrama de bloques simplificado de una estacion de carga con un vehlculo electrico con dos modulos resonantes en paralelo.
La figura -3- muestra un diagrama de bloques simplificado de una estacion de carga con un vehlculo electrico con dos modulos resonantes en serie.
La figura -4- muestra un diagrama de bloques simplificado de una estacion de carga con un vehlculo electrico con un unico modulo resonante.
La figura -5- muestra un ejemplo de topologla combinando distintas potencias maximas y frecuencias de trabajo.
La figura -6- muestra un ejemplo de topologla combinando distintas potencias maximas y frecuencias de trabajo.
La figura -7- muestra una grafica de un ejemplo de potencia maxima obtenible en funcion de la tension, en un ejemplo mostrando carga de baterlas de 350V, en paralelo, y de 700V, en serie.
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La figura -8- muestra un ejemplo de alineacion de las bobinas primarias y secundarias de acoplamiento en caso de multiples modulos resonantes en el vehlculo.
Realizacion preferente de la invencion
El sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos objeto de la presente invencion comprende basicamente, como puede apreciarse en el plano anexo, un dispositivo primario (1) dispuesto como estacion de carga, normalmente fija, y uno o varios dispositivos secundarios (2), ubicados en los vehlculos electricos, estando ambos acoplados inductivamente entre si para la transferencia de energla electrica mientras el vehlculo esta parado, pudiendo ser aplicable tambien a vehlculos en movimiento.
El dispositivo primario (1) incluye
- un convertidor AC/DC (3) que alimenta en continua a
- una pluralidad de modulos resonantes (4) controlables independientemente, que incorporan cada uno su correspondiente bobina primaria (12) de acoplamiento,
- un modulo de comunicaciones inalambricas (9),
- un modulo de control (10) de los modulos resonantes (4) y
- un modulo de control (11) del convertidor AC/DC (3).
Cada dispositivo secundario (2) comprende a su vez
- uno o varios modulos resonantes (5), que incorporan cada uno su correspondiente bobina secundaria (13) de acoplamiento,
- uno o varios modulos convertidores AC/DC (6),
- uno conjunto de baterlas (7) y
- un modulo de comunicaciones inalambricas (8).
En caso de existir varios modulos resonantes (5) en el dispositivo secundario (2), ubicados en el vehlculo electrico, pueden ir conectados en paralelo o en serie. Iran conectados en paralelo cuando se desee sumar la corriente transferida desde los modulos resonantes (4) del dispositivo primario (1), consiguiendo de esta forma adaptar perfectamente las necesidades de potencia requeridas por el vehlculo electrico. Iran conectados en serie cuando se desee sumar la tension entregada por cada uno, consiguiendo cargar conjuntos de baterlas (7) de mayor tension nominal, consiguiendo de esta forma adaptar perfectamente las necesidades de potencia requeridas por el vehlculo electrico .
Asl, por ejemplo, si en una realizacion de la invencion cada uno de los modulos resonantes (4) fuera de 25kW de potencia maxima, y 350V de tension de carga, podrlamos encontrarnos multiples combinaciones de carga posibles, como por ejemplo:
- vehlculo electrico con dos modulos resonantes (5) en paralelo (Fig. 2), que posibilitarla cargar un conjunto de baterlas (7) de unos 350V, con una potencia maxima de 50kW, situation tlpica en el caso de algunas furgonetas o camiones.
- vehlculo electrico con dos modulos resonantes (5) en serie (Fig. 3), que posibilitarla cargar un conjunto de baterlas (7) de unos 700V, con una potencia maxima de 50kW, situacion tlpica en el caso de algunas furgonetas o camiones.
- vehlculo electrico con un unico modulo resonante (5) (Fig. 4), que posibilitarla cargar un conjunto de baterlas (7) de unos 350V, con una potencia maxima de 25kW, situacion tlpica en el caso de un coche particular.
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Obviamente con esta misma realization tambien serla posible cargar un vehlculo con cuatro modulos resonantes (5) en paralelo, obteniendo en este caso 350V y 100kW, o bien con tres modulos resonantes (5) en serie, obteniendo en este caso 1050V y 100kW, u otra combination que se necesitara dependiendo del conjunto de baterlas (7) instalado en cada vehlculo, permitiendo utilizar una misma estacion de carga con vehlculos de diferentes tipos y necesidades electricas.
Asimismo esta previsto que, para poder adecuarse a la variedad de vehlculos electricos existentes, los modulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) puedan tener todos la misma potencia maxima, o bien combinar modulos resonantes (4a, 4b) de diferentes potencias maximas P1 (4a) y P2 (4b), correspondientes a distintos modulos resonantes (6a, 6b) en el vehlculo.
De la misma forma esta previsto que los modulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) puedan tener todos la misma frecuencia de trabajo, o bien combinar diferentes frecuencias de trabajo f1, f2, etc...
Este sistema de carga es susceptible de realization con cualquier topologla de circuito de las conocidas, permitiendo incluso la combinacion de varias de ellas.
Este sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos comporta un procedimiento de operation caracterlstico que comprende una fase de alineacion, una fase de configuration, una fase de carga y una fase de fin de carga.
La fase de alineacion comprende la ubicacion del vehlculo electrico junto a la estacion de carga, posicionandose de tal forma que se produzca la mejor alineacion posible entre la bobina o bobinas secundarias (13) del dispositivo secundario (2), ubicadas en el vehlculo electrico, y la bobina o bobinas primarias (12) del dispositivo secundario (2), ubicadas en la estacion de carga.
La fase de configuration, comprende el envlo por parte del vehlculo electrico, mediante su modulo de comunicaciones inalambricas (8), de sus datos de configuration de la baterla, como tension o conexion serie / paralelo, identification para el cobro, estado de la carga de la baterla y otras senales de control, la reception de esta information mediante el modulo de comunicaciones inalambricas (9) del dispositivo primario (1), el cual la transmite al modulo de control (10) de los modulos resonantes (4) y al modulo de control (11) del convertidor AC/DC (3), y la activation por parte modulo de control (10) del modulo o modulos resonantes (4) necesarios en funcion de la configuration particular del vehlculo electrico, configurandose automaticamente para transferir la potencia especificada por la baterla del vehlculo.
La fase de de carga comprende la transferencia inductiva de potencia entre el modulo o modulos resonantes (4) activados en la estacion de carga y el modulo o modulos resonantes (5) del vehlculo electrico, regulandose en tiempo real mediante el modulo de control (10) de los modulos resonantes (4) y el modulo de control (11) del convertidor AC/DC (3) en funcion de la information de carga recibida desde el conjunto de baterlas (7) de vehlculo electrico a traves de los modulos de comunicaciones inalambricas (8,9).
La fase de fin de carga comprende la desconexion del modulo o modulos resonantes (4) anteriormente activados al detectar el modulo de control (10) la carga completa por medio de la information suministrada desde el vehlculo electrico a traves de los modulos de comunicaciones inalambricas (8,9).

Claims (1)

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    REIVINDICACIONES
    1 - Sistema modular de carga inductiva para vehlcuios electricos, del tipo de los que comprenden un dispositivo primario (1) dispuesto como estacion de carga normalmente fija y uno o varios dispositivos secundarios (2), ubicados en los vehlculos electricos, estando ambos acoplados inductivamente entre si para la transferencia de energla electrica mientras el vehlculo esta parado o en circulation, caracterizado por que el dispositivo primario (1) comprende
    - un convertidor AC/DC (3) que alimenta en continua a
    - una pluralidad de modulos resonantes (4) controlables independientemente, que incorporan cada uno su correspondiente bobina primaria (12) de acoplamiento,
    - un modulo de comunicaciones inalambricas (9),
    - un modulo de control (10) de los modulos resonantes (4) y
    - un modulo de control (11) del convertidor AC/DC (3), y cada dispositivo secundario (2) comprende a su vez
    - uno o varios modulos resonantes (5), que incorporan cada uno su correspondiente bobina secundaria (13) de acoplamiento,
    - uno o varios modulos convertidores AC/DC (6),
    - uno conjunto de baterlas (7) y
    - un modulo de comunicaciones inalambricas (8).
    2 - Sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que los modulos resonantes (5) del dispositivo secundario (2) estan conectados en paralelo.
    3 - Sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que los modulos resonantes (5) del dispositivo secundario (2) estan conectados en serie.
    4 - Sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que los modulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) tienen todos la misma potencia maxima.
    5 - Sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que los modulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) combinan diferentes potencias maximas.
    6 - Sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que los modulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) tienen todos la misma frecuencia de trabajo.
    7 - Sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que los modulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) combinan diferentes frecuencias de trabajo.
    8 - Procedimiento de operation de un sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos como el descrito en las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que comprende una fase de alineacion, una fase de configuration, una fase de carga y una fase de fin de carga.
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    9 - Procedimiento de operation de un sistema modular de carga inductiva para vehlcuios electricos, segun la reivindicacion 8, caracterizado por que la fase de alineacion comprende la ubicacion del vehlculo electrico junto a la estacion de carga, posicionandose de tal forma que se produzca la mejor alineacion posible entre la bobina o bobinas secundarias (13) del dispositivo secundario (2), ubicadas en el vehlculo electrico, y la bobina o bobinas primarias (12) del dispositivo secundario (2), ubicadas en la estacion de carga.
    10 - Procedimiento de operacion de un sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos, segun la reivindicacion 8, caracterizado por que la fase de configuracion, comprende el envlo por parte del vehlculo electrico, mediante su modulo de comunicaciones inalambricas (8), de sus datos de configuration de la baterla, identification para el cobro, estado de la carga de la baterla y otras senales de control, la reception de esta information mediante el modulo de comunicaciones inalambricas (9) del dispositivo primario (1), el cual la transmite al modulo de control (10) de los modulos resonantes (4) y al modulo de control (11) del convertidor AC/DC (3), y la activation por parte modulo de control (10) del modulo o modulos resonantes (4) necesarios en funcion de la configuracion particular del vehlculo electrico, configurandose automaticamente para transferir la potencia especificada por la baterla del vehlculo.
    11 - Procedimiento de operacion de un sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos, segun la reivindicacion 8, caracterizado por que la fase de de carga comprende la transferencia inductiva de potencia entre el modulo o modulos resonantes (4) activados en la estacion de carga y el modulo o modulos resonantes (5) del vehlculo electrico, regulandose en tiempo real mediante el modulo de control (10) de los modulos resonantes (4) y el modulo de control (11) del convertidor AC/DC (3) en funcion de la informacion de carga recibida desde el conjunto de baterlas (7) de vehlculo electrico a traves de los modulos de comunicaciones inalambricas (8,9), compensandose en caso necesario la desalineacion entre las bobinas primarias (12) y secundarias (13) de acoplamiento.
    12 - Procedimiento de operacion de un sistema modular de carga inductiva para vehlculos electricos, segun la reivindicacion 8, caracterizado por que la fase de fin de carga comprende la desconexion del modulo o modulos resonantes (4) anteriormente activados al detectar el modulo de control (10) la carga completa por medio de la informacion suministrada desde el vehlculo electrico a traves de los modulos de comunicaciones inalambricas (8,9).
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