ES2637410T3 - Sistema y procedimiento de carga de la batería de un vehículo híbrido - Google Patents

Abstract

Sistema de carga de la batería (6) de un vehículo automóvil dotado con al menos una cadena de tracción eléctrica o híbrida, la cadena de tracción incluye, cuando el vehículo está en movimiento, una máquina eléctrica (2) conectada mecánicamente a las ruedas motrices y conectada eléctricamente a la batería (6) por medio de un ondulador (5), el sistema de carga incluye, cuando el vehículo está en carga, la máquina eléctrica (2) y el ondulador (5) de la cadena de tracción así como un sistema de control apto para controlar el ondulador (5) de manera que la energía sea tomada de una red de alimentación eléctrica (1) a través de la máquina eléctrica (2) y con destino la batería (6), caracterizado por que dicho control se realice generando unas corrientes en la máquina eléctrica (2) características de una rotación de la máquina eléctrica (2) a la frecuencia de la red de alimentación eléctrica (1) con una fuerza electromotriz correspondiente a la tensión de la red de alimentación eléctrica (1), mientras es apta para controlar la máquina eléctrica (2) de manera que no magnetiza de su rotor, estando la red conectada directamente o por medio de un filtro CEM a las fases de la máquina eléctrica para la carga, y desconectada durante un funcionamiento en tracción.

Description

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DESCRIPCION

Sistema y procedimiento de carga de la batena de un vehnculo hnbrido

La invencion tiene como dominio tecnico el control de la carga de las batenas de vehnculos automoviles, en particular la carga de las batenas de vehnculos electricos.

El desarrollo de vehnculos electricos es un tema de mucha actualidad. Sin embargo, la estructura de los cargadores actuales sigue siendo compleja y costosa. El desarrollo de nuevas tipologfas podna permitir disponer de cargadores menos costosos que las soluciones actuales, a un nivel de prestacion equivalente o superior.

Del estado de la tecnica, se conocen los siguientes documentos.

El documento EP2406098 divulga un cargador de batenas de automovil que utiliza un reductor de tension acoplado a un elevador de tension.

El documento US 20120235605 divulga un cargador aislado que utiliza unas inductancias aguas arriba de un ondulador seguido de un transformador. El ondulador es utilizado como rectificador de tension para el transformador. Se identificara igualmente el documento US 2013/069492 A1 publicado el 21 de marzo de 2013 en el que el sistema de carga difiere en la parte caractenstica de la reivindicacion 1.

Se identificara finalmente el documento XP011388434 de Saeid Haghbin y al (“An Isolated High-Power Integrated Charger in Electrified-Vehicle Applications”.

Existe una necesidad para un sistema de carga mas compacto y economico que los sistemas existentes manteniendo un rendimiento al menos equivalente.

Un objeto de la invencion es un sistema de carga de la batena de un vehnculo automovil dotado con al menos una cadena de traccion electrica o hnbrida. La cadena de traccion incluye, cuando el vehnculo esta en movimiento, una maquina electrica conectada mecanicamente a las ruedas motrices y conectada electricamente a la batena por medio de un ondulador. El sistema de carga incluye, cuando el vehnculo esta en carga, la maquina electrica y el ondulador de la cadena de traccion, asf como un sistema de control apto para controlar el ondulador de manera que se tome energfa de una red de alimentacion electrica a traves de la maquina electrica con destino la batena, generando unas corrientes en la maquina electrica caractensticas de una rotacion de la maquina electrica a la frecuencia de la red de alimentacion electrica con una fuerza electromotriz correspondiente a la tension de la red alimentacion electrica, mientras es apta para controlar la maquina electrica de manera que no magnetiza su rotor, estando conectada la red directamente o por medio de un filtro CEM a las fases de la maquina electrica para la carga, y desconectada durante un funcionamiento en traccion.

El sistema puede incluir un conversor continua-continua dispuesto entre el ondulador y la batena, y una capacidad conectada en paralelo al conversor continua-continua, el conversor continua-continua es apto para adaptar la tension de salida del ondulador a la tension de la batena.

La batena puede incluir un conjunto de elementos de batena unidos mediante tres reles de manera que los elementos de batena esten conectados en serie o en paralelo.

El sistema puede incluir un sistema de proteccion mediante diodo conectado en serie con la batena.

El sistema puede incluir un primer rele y un segundo rele dispuestos entre la red de alimentacion electrica y la maquina electrica. El sistema de carga incluye tres fases, el primer rele esta dispuesto entre la primera y la segunda fase, el segundo rele esta dispuesto entre la segunda y la tercera fase. Los primeros y segundos relees son entonces aptos para conectar un punto neutro aguas arriba de la maquina electrica durante un funcionamiento en traccion y para desconectar el punto neutro con el fin de restablecer la conexion de la maquina electrica a la red de alimentacion electrica durante una carga.

Otro objeto de la invencion es un procedimiento de carga de la batena de un vehnculo electrico dotado con al menos una cadena de traccion electrica o tnbrida. La cadena de traccion incluye, cuando el vehnculo esta en movimiento, una maquina electrica conectada mecanicamente a las ruedas motrices y conectada electricamente a la batena por medio de un ondulador. El procedimiento incluye las siguientes etapas,

se conecta una red de alimentacion electrica directamente o por medio de un filtro CEM a las fases de la maquina electrica serie con el ondulador, se desencadena la carga controlando el ondulador de manera que la energfa se tome de la red de alimentacion electrica a traves de la maquina electrica y con destino la batena, mientras se controla la maquina electrica de manera que su rotor no este magnetizado con el fin de que la maquina electrica no produzca ningun par,

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dicho procedimiento esta caracterizado por que, para tomar energfa de la red de alimentacion electrica, se controla el ondulador para generar unas corrientes en la maquina electrica caractensticas de una rotacion de la maquina electrica a la frecuencia de la red de alimentacion electrica con una fuerza electromotriz correspondiente a la tension de la red de alimentacion electrica

Otros objetivos caractensticas y ventajas apareceran con la lectura de la siguiente descripcion dada unicamente en tanto que ejemplo no limitativo y realizada haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que:

-la figura 1 ilustra los principales elementos de un sistema de carga de batena de vetuculo automovil segun una primera topologfa,

-la figura 2 ilustra los principales elementos de un conjunto de elementos de batena,

-las figuras 3a y 3b ilustran el funcionamiento del conjunto de elementos de batenas segun las posiciones de los reles, y

-la figura 4 ilustra los elementos de un sistema de carga de batena de vetuculo automovil segun una segunda topologfa.

La nueva topologfa del sistema de carga presentada a continuacion permite una carga de gran potencia, pero con un menor coste respecto de los sistemas de carga actuales.

Para ello, unos componentes principales de la cadena de traccion son explotados con el fin de limitar la redundancia de elementos entre la cadena de traccion y el sistema de carga, y de generar unas economfas de coste. Como se explicado en detalle mas abajo, la maquina electrica y el ondulador que lo controla son utilizados con el fin de cargar la batena.

Sin embargo, el paso de un modo de carga a un modo de traccion en el que se genera un par o es regenerado por la maquina electrica implica anadir modificaciones que permiten modificar el sentido de la circulacion de la corriente y proteger determinados elementos de una sobrecarga.

Por otra parte, se describe igualmente un conjunto de elementos de batena cuya arquitectura permite obtener una tension de batena al menos doblada respecto del empleo de una unica batena.

Finalmente, una topologfa alternativa esta igualmente presentada cuando la tension de la batena es insuficiente para un funcionamiento optimo basado en la primera topologfa. En este caso, un conversor continua-continua es anadido con el fin de corregir las diferencias de tension entre el ondulador y las batenas.

Incluso cuando se emplea esta segunda topologfa, se realiza econoirna en componentes ya que el sistema de carga esta fusionado con la parte electrica de la cadena de traccion.

La figura 1 ilustra la primera topologfa. Se puede ver una red de alimentacion electrica 1 conectada a las fases de una maquina motriz electrica 2 de un vetuculo automovil. La conexion puede ser realizada directamente, o por medio de un filtro de entrada 3 por necesidades de compatibilidad electromagnetica (CEM).

Una primera modificacion, con la referencia 4, implica anadir un rele 4a, 4b entre las tres fases que unen la red de alimentacion 1 trifasica a la maquina electrica 2. Este anadido permite conectar un punto neutro aguas arriba de la maquina electrica 2 durante un funcionamiento en traccion con el fin de cerrar el circuito cuando el vetuculo esta desconectado de la red de alimentacion electrica 1. Este mismo anadido permite desconectar el punto neutro y restablecer la conexion de la maquina electrica 2 a la red de alimentacion electrica 3 para la carga.

La maquina electrica 2 esta conectada en la salida a un ondulador 5, el mismo conectado en la salida a una batena 6 un medio de proteccion mediante diodo 5a esta dispuesto en la entrada de la batena 6 y constituye otra modificacion. El medio de proteccion por diodo 5a incluye un diodo 5b conectado en paralelo a los bornes de un rele 5c. Durante la carga, el rele 5c esta abierto de manera que la energfa solo pueda transitar en el sentido de la carga. Durante el funcionamiento en traccion, el rele esta cerrado de manera que la batena pueda suministrar la potencia a la maquina electrica y recibirla durante el frenado regenerativo.

Asf conectado, la red 1 va a generar una tension tfpicamente a 50 Hz entre fases de la maquina electrica 2. Esa tension es equivalente a una fuerza electromotriz (FEM) que generana un rotor equivalente girando a esta misma frecuencia electrica. Desde el punto de vista del ondulador 5, la maquina electrica 2 es una maquina rotatoria en funcionamiento, lo que permite calcular un angulo equivalente y un flujo equivalente. Sin embargo, como el rotor no esta magnetizado, no se creara ningun par en la maquina electrica 2, principalmente si se trata de una maquina de rotor bobinado.

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Considerando esta maquina ficticia, se puede controlar como una maquina clasica trifasica. Para ello, se utiliza el ondulador 5 para controlar las corrientes de cada una de las fases.

El angulo electrico equivalente puede estar calculado con la ayuda de una determinacion mediante “Phase Loop Lock” efectuada en la red.

La maquina ficticia esta considerada como una maquina giratoria trifasica alimentada por unas corrientes sinusoidales. Es por tanto pertinente utilizar la transformada de Park para determinar las ecuaciones de control. En el espacio de Park, la maquina ficticia esta modelada por el sistema de ecuaciones siguiente:

f Vd = Rs ' Td + Ld ■ id -cor Lq • Iq

|Vq = Rs Iq+Lq iq+cor-(Ld-Id+<Df) ( q‘

con:

Vd y VVq = las tensiones aplicadas en los dos ejes (d,q) del plano de Park de la maquina (en voltios).

Id e Iq = las corrientes que circulan en la maquina en los dos ejes (d,q) del plano de Park (en amperios).

Rs= la resistencia equivalente del estator de la maquina ( en Ohmnios),

Ld y Lq = las inductancia es en los dos ejes (d,q) del plano de Park de la maquina (en Henry).

Wr = la velocidad de rotacion del campo magnetico de la maquina (en rad/s).

Of = el flujo generado por los imanes del rotor ( en Wb).

En el caso de la maquina ficticia, se pueden explicitar algunos parametros, si se considera una alimentacion para una red trifasica que presenta una tension de 230 V eficaces o RMS (acronimo ingles para Root Mean Square) a una frecuencia de 50 Hz:

-el flujo Of equivalente es de alrededor 1,2 Wb.

-La frecuencia Wr es la de la red electrica, o sea en Francia, 314 rad/s ( 50 Hz).

-Ld y Lq seran iguales ya que la red esta perfectamente equilibrada, en otros terminos, la red es equivalente a un rotor de polos lisos.

Controlando la maquina ficticia con el sistema de ecuaciones (Eq. 1), es posible obtener una potencia constante de la red de alimentacion electrica 1 imponiendo unas corrientes sinusoidales trifasicas en las tres fases por medio del ondulador 5. Esta potencia podra ser del mismo orden que las potencias disponibles cuando la maquina electrica 2 es utilizada en traccion. Por ejemplo, para una carga a 43 kW, la corriente q esta regulada a 90 A, por tanto 63 A RMS.

Obteniendo una potencia constante, se plantean dos casos de figura, segun que la batena utilizada permita o no, tener una tension superior a la tension en la salida del ondulador. La tension en la salida del ondulador es mas elevada que la tension de cresta entre las fases de la red. Se recuerda que para una red a 230 V RMS, la tension de cresta entre las fases es de alrededor de 565 V.

Un primer caso corresponde a una tension de batena superior a la tension del ondulador segun la tension de la red de alimentacion electrica y la tension de la batena, este caso puede aparecer espontaneamente. Sin embargo, para disponer de una tension de batena la mas alta posible y evitar encontrarse en el caso donde la tension de la batena es inferior a la tension del ondulador, se propone reemplazar la batena 6 por un conjunto de varias batenas cuya estructura esta ilustrada en la figura 2. El conjunto de elementos de batena, con la referencia 7, constituye una batena, e incluye una entrada A y una salida B conectadas a dos elementos de batena con la referencia 6a y 6b. La entrada A esta conectada al catodo del primer elemento de batena 6a y a un borne de un primer rele 8a. El otro borne del primer rele 8a esta unido al catodo del segundo elemento de batena 6b y a un borne de un segundo rele 8b. El anodo del primer elemento de batena 6a esta conectado al segundo borne del segundo rele 8b y a un borne de un tercer rele 8c. El anodo del segundo elemento de batena 6b esta conectado a otra borne del tercer rele 8c y a la salida B. El conjunto de elementos de batena 7 puede igualmente estar realizado intercambiando anodos y catodos de cada batena.

Las figuras 3a y 3b ilustran el funcionamiento del conjunto de elementos de batena segun las posciones de los reles 8a, 8b y 8c.

La figura 3a corresponde al conjunto de elementos de batena segun un primer modo de funcionamiento cuando el primer rele 8a y el tercer rele 8c dejan pasar, estando el segundo rele 8b abierto.

La figura 3b corresponde al conjunto de elementos de batena segun un segundo modo de funcionamiento cuando el primer rele 8a y el tercer rele 8c estan abiertos, el segundo rele 8b deja pasar.

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Si se denomina Unom a la tension en los bornes de cada uno de los elementos de la batena, Qnom la carga de cada uno de los elementos de la batena, Uab la tension en los bornes del conjunto de los elementos de la batena y Qab la carga entre los bornes del conjunto de elementos de la batena, se obtiene el sistema de ecuaciones siguientes para el conjunto de elementos de batena segun el primer modo de funcionamiento:

imagen1

Se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones para el conjunto de elementos de batena segun el segundo modo de funcionamiento.

imagen2

Asf, con tres reles, se puede pasar de dos elementos de batena en paralelo a dos elementos de batena en serie y por tanto doblar la tension en la salida de la batena.

Asf, mediante la aplicacion de la primera topologfa, es posible fusionar el sistema de carga de la batena de un vetuculo automovil electrico o tubrido con una parte significativa de los componentes de la cadena de traccion. La primera topologfa es aplicable desde que la tension en la salida del ondulador sea inferior a la tension de la batena.

La batena incluye un conjunto de elementos de batena igualmente descrito que permite corregir la tension de la batena percibida por el ondulador en el caso donde la tension de la batena sea demasiado baja.

Aparece, por tanto, a traves de la descripcion de la primera topologfa, que se pueda regular las corrientes de fase, a traves del control de la maquina electrica con el fin de cargar la batena, estipulando principalmente la potencia de carga.

El sistema de carga puede igualmente funcionar como un corrector de factor de potencia (acronimo PFC del ingles “Power Factor Correction”) corrigiendo el factor de potencia de la instalacion.

En un segundo caso, la tension de la batena es inferior a la tension del ondulador. Es el caso actualmente la mayona de los vetuculos electricos. En efecto, la tension de la batena esta generalmente comprendida entre 300 y 400 V, o sea claramente inferior a la tension en la salida del ondulador. Se recuerda que la tension maxima en la salida del ondulador es superior a la tension de cresta entre fases de la red, aproximadamente igual a 565 V.

Si ademas, no es posible o deseable emplear la batena incluyendo el conjunto de elementos de batena descrito anteriormente, la topologfa ilustrada en la figura 1, aplicada a una batena cuya tension esta comprendidaentre 300 y 400 V generana unas corrientes necesariamente muy elevadas. Un calculo rapido muestra que unas corrientes del orden de algunos miles de amperios circulanan en cada fase si la maquina estuviera en cortocircuito, lo que corresponde a un modo de seguridad de la maquina.

Ademas de ser peligroso, dichos niveles de corriente pueden danar la maquina electrica y el convertidor.

Para solucionar esta situacion, se propone una configuracion alternativa del sistema de carga. Esta configuracion, ilustrada en la figura 4, difiere de la ilustrada en la figura 1 por la presencia de un conversor continua-continua y de una capacidad.

Mas concretamente, las salidas del ondulador 5 estan unidas a una capacidad 9conectado en serie con un circuito 10 de pre-carga. La entrada y la salida del circuito 10 de pre-carga estan conectadas a dos ramas paralelas. Una primera rama incluye un primer rele 10a en serie con una resistencia 10b. La segunda rama incluye unicamente un segundo rele 10c.

Las salidas del ondulador 5 estan igualmente conectadas a las entradas del conversor continua-continua 11. Un rele 12 esta conectado en paralelo al conversor continua-continua 11. Las salidas del conversor continua-continua 11 estan conectadas a la batena 6 en serie con un medio de proteccion por diodo 5a.

El medio de proteccion por diodo 5a incluye un diodo 5b conectado en paralelo a los bornes de un rele 5c. Durante la carga, el rele 5c esta abierto de manera que la energfa no pueda transitar mas que en el sentido de la carga. Durante el funcionamiento en traccion, el rele esta cerrado de manera que la batena pueda suministrar potencia a la maquina electrica y recibirla durante un frenado regenerativo.

El rele 12 permite cortocircuitar el convertidor continua-continua 11 cuando la maquina electrica 2 funciona en traccion, alimentada por la batena 6.

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En la topologfa ilustrada en la figura 4, dos niveles de alta tension existen aguas arriba y aguas abajo del convertidor continua-continua 11. Es por tanto pertinente utilizar dos circuitos de pre-carga para cargar, por una parte las capacidades de filtrado de la batena, y por otra parte la capacidad en la salida del ondulador.

Las capacidades de filtrado estan generalmente conectadas en paralelo con la batena con el fin de filtrar la corriente de carga. No estan representadas en las figuras 1 y 4.

La capacidad 9 conectada en la salida del ondulador 5 padece una tension al menos igual a la tension de cresta entre fases. Es por tanto necesario que sea cargada con al menos 565 V, preferentemente al menos 600 V.

El circuito de pre-carga 10, descrito anteriormente, funciona de una forma familiar para el experto.

Para cargar lentamente la capacidad, se cierra el primer rele 10a mientras se mantiene el segundo rele abierto 10c. La corriente de carga esta reducida por la resistencia 10b lo que ralentiza la carga de la capacidad 9. El valor de la resistencia 10b depende de las dimensiones y de los valores de los componentes del circuito. Sin embargo, el valor de la resistencia 10b es generalmente de algunos ohmios para un plazo de carga de algunos milisegundos.

Una vez la capacidad esta cargada, se cierran segundo rele 10c y se abre el primer rele 10a para un funcionamiento con unas perdidas mmimas.

En este caso, la tension maxima en la salida del ondulador 5 es bajada por el convertidor continua-continua 11 a un valor inferior a la tension de la batena 6. El sistema puede por tanto funcionar con unas corrientes mas pequenas que las que existinan si no hubiera un convertidor continua-continua.

Por otra parte, cabe senalar que el ondulador es reversible. Como la maquina ficticia esta controlada a traves del ondulador de traccion, aparece que la topologfa del sistema de carga presentada anteriormente es reversible.

Es por tanto posible utilizar esta topologfa para suministrar energfa a la red, principalmente para permitir aplanar los huecos y los picos de consumo.

Claims (6)

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   REIVINDICACIONES

   1. - Sistema de carga de la batena (6) de un vetuculo automovil dotado con al menos una cadena de traccion electrica o tubrida,

   la cadena de traccion incluye, cuando el vetuculo esta en movimiento, una maquina electrica (2) conectada mecanicamente a las ruedas motrices y conectada electricamente a la batena (6) por medio de un ondulador (5),

   el sistema de carga incluye, cuando el vetuculo esta en carga, la maquina electrica (2) y el ondulador (5) de la cadena de traccion asf como un sistema de control apto para controlar el ondulador (5) de manera que la energfa sea tomada de una red de alimentacion electrica (1) a traves de la maquina electrica (2) y con destino la batena (6), caracterizado por que dicho control se realice generando unas corrientes en la maquina electrica (2) caractensticas de una rotacion de la maquina electrica (2) a la frecuencia de la red de alimentacion electrica (1) con una fuerza electromotriz correspondiente a la tension de la red de alimentacion electrica (1), mientras es apta para controlar la maquina electrica (2) de manera que no magnetiza de su rotor, estando la red conectada directamente o por medio de un filtro CEM a las fases de la maquina electrica para la carga, y desconectada durante un funcionamiento en traccion.
2. 2. - Sistema segun la reivindicacion 1, incluyendo un convertidor continua-continua (11) dispuesto entre el ondulador (5) y la batena (6), y una capacidad (9) conectada en paralelo al convertidor continua-continua (11), siendo apto el convertidor continua-continua (11) para adaptarlo tension de salida del ondulador (5) a la tension de la batena (6).
3. 3. -Sistema segun la reivindicacion 1, en el que la batena (6) incluye un conjunto de elementos de batena (6a,6b) unidos por tres reles (8a,8b,8c) de manera que los elementos de batena (6a, 6b) esten conectados en serie o en paralelo.
4. 4. - Sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye un sistema de proteccion por diodo (5a) conectado en serie con la batena (6).
5. 5. - Sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye un primer rele (4a) y un segundo rele (4b) dispuestos entre la red de alimentacion electrica (1) y la maquina electrica (2),

   el sistema de carga incluye tres fases, el primer rele (4a) esta dispuesto entre la primera y la segunda fase, el segundo rele (4b) esta dispuesto entre la segunda y la tercera fase,

   los primeros y segundos reles (4a,4b) son aptos para conectar un punto neutro aguas arriba de la maquina electrica (2) durante un funcionamiento en traccion y para desconectar el punto neutro con el fin de restablecer la conexion de la maquina electrica (2) a la red de alimentacion electrica (3) durante la carga.
6. 6. - Procedimiento de carga de la batena de un vehuculo automovil dotado con al menos una cadena de traccion electrica o tubrida, la cadena de traccion incluye, cuando el vetuculo esta el movimiento, una maquina electrica (2) conectada mecanicamente a las ruedas motrices y conectado electricamente a la batena (6) por medio de un ondulador (5),

   el procedimiento incluye las siguientes etapas,

   se conecta una red de alimentacion electrica (1) directamente o por medio de un filtro CEM a las fases de la maquina electrica en serie con el ondulador (5),

   se desencadena la carga controlando el ondulador (5) de manera que la energfa sea tomada de la red alimentacion electrica (1) a traves de la maquina electrica (2) y con destino la batena (6), mientras que se controla la maquina electrica (2) de manera que su rotor no este magnetizado con el fin de que la maquina electrica (2) no produzca ningun par,

   dicho procedimiento esta caracterizado por que para recuperar energfa de la red alimentacion electrica (1), se controla el ondulador (5) para generar unas corrientes en la maquina electrica (2) caractensticas de una rotacion de la maquina electrica (2) con la frecuencia de la red de alimentacion electrica (1) con una fuerza electromotriz correspondiente a la tension de la red alimentacion electrica (1).