ES2948084T3 - Método y disposición para la carga de acumuladores de vehículos - Google Patents

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Abstract

Un objeto de la invención es un dispositivo de carga para cargar un acumulador (103) de un vehículo a partir de una fuente (101) de energía eléctrica, estando el dispositivo de carga integrado en el vehículo. El dispositivo de carga comprende al menos dos unidades de potencia (104) que se pueden conectar a fases disponibles de la fuente (101) de energía eléctrica, comprendiendo las unidades de potencia (104) al menos parcialmente el mismo tipo de electrónica de potencia (100) de tecnología de modo conmutado. para operar las unidades de potencia (104), y medios (102) para enfriar dicha electrónica de potencia (100). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y disposición para la carga de acumuladores de vehículos
Campo de la invención
Los vehículos que utilizan energía eléctrica para moverse son cada vez más comunes como una tecnología de vehículos respetuosa con el medio ambiente.
Estado de la técnica
Los principales desafíos de los procedimientos de carga de vehículos eléctricos de la técnica anterior, por ejemplo, automóviles, se relacionan con el rango de operación, que generalmente se limita a 100 km - 200 km, y con el largo tiempo de carga, que es de 3 a 12 horas para cargar los acumuladores del vehículo esencialmente hasta la carga completa. En las realizaciones de la técnica anterior, se intenta acortar el largo tiempo de carga mediante grandes interfaces de red, como las interfaces trifásicas de energía de servicios públicos, que generalmente están disponibles dentro de los hogares. De todos modos, para la carga en casa, en la oficina o en una estación de carga pública, solo hay disponibles opciones monofásicas lentas. En realizaciones de la técnica anterior, también se intenta acortar los tiempos de carga mediante altos niveles de potencia de carga. Estas realizaciones sufren problemas de alta temperatura, e incluso existen riesgos de ignición.
En realizaciones de la técnica anterior, surge un tipo grave de fallo cuando la red, es decir, la red eléctrica, pierde una o más fases de funcionamiento. Normalmente, el dispositivo trifásico convencional debe identificar la situación del problema, apagarse y desconectarse de la red durante el período del mal funcionamiento y volver a funcionar una vez que se haya eliminado la falla. Durante un mal funcionamiento de la red, el dispositivo no se puede utilizar y el tiempo de carga se prolonga incluso en una proporción de 1:1 con la duración del mal funcionamiento, por ejemplo, un mal funcionamiento de una hora provoca una extensión de una hora del tiempo de carga. El mal funcionamiento de la red descrito anteriormente también puede dañar los dispositivos trifásicos convencionales o incluso provocar un incendio.
En el documento de solicitud de patente EP2657063 A1 se presenta un dispositivo de carga que tiene interfaces de transmisión de energía conductiva e inductiva que están conectadas a un terminal del lado del almacenamiento de energía a través de rutas de energía eléctrica. Las realizaciones del documento EP2657063 A1utilizan varias etapas de transformación que provocan pérdidas de potencia considerables.
Además, la solicitud de patenteEP2479059 A1describe un cargador de batería para vehículos eléctricos: un selector de modo de entrada 76 detecta las tensiones en los conductores L1 L2 y L3 y cuando se detecta una tensión solo en el conductor L1, el selector de modo cierra los interruptores S1 y S2 para cambiar el circuito de suministro de energía a un modo monofásico; cuando se conecta a una toma de corriente monofásica, se desarrolla una tensión monofásica entre una fase y la línea neutra N, y las otras fases están inactivas.
Breve descripción de la invención
Un objeto de la presente invención es lograr una carga mejorada de acumuladores de vehículos, cuya carga se puede realizar de forma rápida y fiable desde diferentes tipos de fuentes de energía eléctrica. Esto puede lograrse mediante un dispositivo de carga para cargar un acumulador de un vehículo a partir de una fuente de energía eléctrica, estando integrado el dispositivo de carga en el vehículo. El dispositivo de carga comprende al menos dos unidades de potencia que se pueden conectar a las fases disponibles de la fuente de energía eléctrica, comprendiendo las unidades de potencia al menos en parte el mismo tipo de electrónica de potencia de tecnología de modo conmutado para operar las unidades de potencia, y medios para enfriar dicha electrónica de potencia.
La invención se basa en la utilización de al menos parcialmente la misma electrónica de potencia que comprende tecnología de modo conmutado para operar al menos dos unidades de potencia que se pueden conectar a las fases disponibles de una fuente de energía eléctrica, y en la utilización de medios para enfriar dicha electrónica de potencia.
Las realizaciones según la presente invención proporcionan soluciones técnicamente fiables y energéticamente eficientes para cargar acumuladores de vehículos, lo que da como resultado un tiempo de carga esencialmente más corto y la posibilidad de utilizar la potencia de carga óptima cuando la energía eléctrica está disponible. El dispositivo de carga según la presente invención también se puede construir de tamaño pequeño y peso ligero con el uso de menos materiales que en los dispositivos de carga de la técnica anterior.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 presenta una estructura ejemplar de dispositivo de carga según la presente invención.
La Figura 2 presenta una estructura de unidad de potencia ejemplar de acuerdo con la presente invención.
Descripción detallada de la invención
En las realizaciones según la presente invención, el dispositivo de carga se puede integrar en el vehículo, por ejemplo, en un coche eléctrico o un coche híbrido o algún otro vehículo eléctrico o híbrido. En la invención se utiliza tecnología de modo conmutado de eficiencia energética para lograr una alta eficiencia de la carga en todo el rango de potencia, es decir, los niveles de temperatura no aumentan demasiado aunque el proceso de carga puede ser rápido. Estos componentes electrónicos de potencia de alta eficiencia permiten que el dispositivo de carga se pueda montar en el coche eléctrico de forma compacta, ya que el calor residual se genera solo en pequeñas cantidades. Debido a las menores pérdidas de potencia, es decir, el calor residual, se pueden usar elementos de refrigeración más pequeños. Por lo tanto, el dispositivo de carga se puede construir más pequeño y liviano con el uso de menos material.
En el futuro, dispositivos como la electrónica conectada a la red eléctrica y la carga reactiva debido a la carga de los coches eléctricos afectarán a la red eléctrica y a su estabilidad. Las fallas en la red eléctrica aumentan a medida que aumenta la variedad de dispositivos eléctricos. La estabilidad de la red eléctrica es ante todo un factor de seguridad y permite el funcionamiento eficaz de nuestra sociedad. En particular, se prevé que la potencia reactiva cause problemas en el futuro debido al creciente número de coches eléctricos cargados desde la red, es decir, desde la red eléctrica. Esto se tiene en cuenta en las realizaciones según la presente invención, que ofrecen una buena fiabilidad incluso en caso de mal funcionamiento de la red o fallo del propio dispositivo. La caída de una o más fases no provocará ninguna situación peligrosa y el dispositivo de carga seguirá funcionando con una salida reducida. Debido a la conexión en paralelo del lado de salida del dispositivo de carga, también se puede realizar una carga monofásica sin reducir la eficiencia cuando no se dispone de una carga trifásica más potente. Así, en las realizaciones según la presente invención no hay necesidad de una unidad de potencia extra para realizar la carga monofásica, lo que reduce considerablemente el número de componentes necesarios y el coste de fabricación.
En la figura 1 se presenta un ejemplo de dispositivo de carga según la presente invención. El dispositivo de carga se monta en un vehículo, es decir, un coche eléctrico, y carga un acumulador 103 (es decir, batería recargable, paquete de tracción, paquete de alimentación, etc.) del coche eléctrico desde una fuente 101 de energía eléctrica, que suele ser la red eléctrica. El dispositivo de carga comprende al menos dos unidades de potencia 104 que pueden conectarse a las fases disponibles de la fuente 101 de energía eléctrica. Las unidades de potencia 104 comprenden al menos en parte el mismo tipo de electrónica de potencia 100 de tecnología de modo conmutado para operar las unidades de potencia 104, y medios 102 para enfriar dicha electrónica de potencia 100. La electrónica de potencia 100 de la tecnología de modo conmutado pueden comprender, por ejemplo, la electrónica de circuito chopper o alguna otra electrónica de modo conmutado.
El lado de salida de cada unidad de potencia se puede conectar en paralelo, según la invención, o en serie, no según la invención, para lograr una tensión de carga más alta para baterías de alta tensión. Al conectar las salidas en serie, se debe prestar atención a las propiedades de aislamiento de las unidades de potencia para soportar la tensión a fin de evitar posibles averías. Una conexión en serie proporciona la misma potencia de carga y compensación de potencia reactiva que la anterior, pero se pierden algunas de las ventajas de la conexión en paralelo. Cuando solo se dispone de una conexión monofásica, todas las entradas de las unidades de potencia deben conectarse en paralelo a la misma fase con un enchufe adecuado o con interruptores o con un conmutador. En la situación monofásica, la corriente de carga debe reducirse para adaptarse a la conexión de suministro a fin de no sobrecargar la interfaz de red. En las realizaciones según la presente invención, la corriente de carga, es decir, la potencia de carga, se puede determinar en la estación de carga, ya sea automáticamente con la identificación del enchufe utilizado o por parte del usuario.
En una realización preferida de la presente invención, el dispositivo de carga comprende tres unidades de potencia 104 del mismo tipo, que pueden conectarse a tres fases de la fuente 101 de energía eléctrica, estando cada unidad de potencia 104 conectada a su fase individual. Las unidades de potencia 104 pueden ser diferentes, por ejemplo, en características de potencia, pero en la realización preferida de la invención las unidades de potencia son idénticas.
Utilizando la realización trifásica, se puede conseguir incluso una mejora del 67 % en el tiempo de carga, es decir, un acortamiento del tiempo de carga, en comparación con las realizaciones de la técnica anterior. Se puede conseguir la mayor mejora utilizando la realización trifásica según la presente invención en comparación con las realizaciones monofásicas.
En la presente invención, el dispositivo de carga puede comprender al menos dos unidades de potencia 104 conectadas en paralelo en el lado de salida de las unidades de potencia 104. Es posible conectar más de una unidad de potencia a cada fase mediante una conexión en paralelo. Esto depende del tipo de red eléctrica y de la potencia de carga deseada. El dispositivo de carga según la presente invención también se puede conectar a una sola fase cuando no hay una conexión trifásica disponible. De este modo se logra una estructura más simple en comparación con las realizaciones de la técnica anterior, en las que se utilizan componentes separados y unidades de potencia en carga monofásica y trifásica.
Los medios de enfriamiento 102 pueden comprender al menos un elemento de enfriamiento para transferir calor lejos de la electrónica de potencia 100. El elemento de enfriamiento o los elementos múltiples transfieren el calor residual lejos de los componentes y están hechos de materiales conductores de calor como el aluminio. En otra realización, los medios 102 para enfriamiento pueden comprender líquido refrigerante para transferir calor fuera de la electrónica de potencia 100. Cuando se utiliza refrigeración líquida, se mejoran los beneficios enumerados anteriormente, en particular en lo que respecta al peso y el volumen. También con refrigeración líquida, el dispositivo se puede instalar en cualquier parte del coche porque el intercambio de calor puede tener lugar fuera del propio dispositivo.
En una realización preferida según la presente invención, la electrónica de potencia 100 comprende un circuito de corrección 106 para corregir las corrientes reactivas con el fin de minimizar las interferencias con la fuente 101 de energía eléctrica, es decir, con la red eléctrica. El circuito de corrección 106 puede ser un circuito de corrección del factor de potencia (PFC) 106 que está conectado a cada unidad de potencia 104. Se sabe que la tecnología de modo de conmutación provoca interferencias en la red. La corriente reactiva resultante es compensada más eficazmente por el propio dispositivo utilizando, por ejemplo, un filtro de Interferencia Electromagnética Integrado (EMI) y con el llamado circuito de Corrección del Factor de Potencia (PFC). Estos circuitos compensan la corriente reactiva, interferencias de banda estrecha y banda ancha que podrían causar problemas a la red eléctrica o a otros dispositivos. Con esto se puede alcanzar el coeficiente PFC del dispositivo de incluso más de 0,99. El circuito PFC permite que el dispositivo funcione sin aumentar la corriente reactiva de la red. Esto mejora la estabilidad de la red eléctrica cuando se usa ampliamente. El PFC está conectado a cada unidad. Esta disposición garantiza que se produzcan corrientes reactivas mínimas en todo el rango de potencia en condiciones normales e incluso durante fallas en la red.
En la figura 2 se presenta una estructura de unidad de potencia ejemplar según la presente invención. La unidad de potencia ejemplar 104 comprende como electrónica de potencia 100 una etapa de filtrado 208, una etapa rectificadora (CA/CC) 210, un circuito de corrección del factor de potencia (PFC) 106 y una etapa CC/CC 212. Las conexiones de la unidad de potencia se han realizado a un punto neutro. La unidad de potencia 104 está conectada al acumulador 103 (es decir, batería recargable) para ser cargada.
En realizaciones según la presente invención, la potencia de salida del dispositivo de carga se puede ajustar entre 0 y 100 % utilizando el bus de comunicaciones, por ejemplo, Red de Área de Control (CAN), que es un método de comunicación bien conocido y común, por ejemplo, con el sistema de gestión de baterías (BMS), o cualquier otro sistema que controle el dispositivo. Si el dispositivo no recibe comandos de operación del bus a intervalos regulares, el dispositivo se apaga y espera los comandos para comenzar de nuevo. La falta de instrucciones puede dar como resultado, por ejemplo, el mal funcionamiento del BMS o el mal funcionamiento de cualquier otro dispositivo de control. Con la disposición descrita no existe ninguna situación en la que el dispositivo pueda cargar la batería sin el sistema de control, y pueden evitarse situaciones peligrosas, por ejemplo, una situación de incendio.
A continuación se describe una realización preferida detallada según la presente invención. Comúnmente, los hogares en Europa tienen conexiones de servicios públicos de 3*25A 230VAC voltios a disposición de alguien. Esta es la conexión disponible más pequeña que pueden tener los hogares. Para este caso, la mejor manera de utilizar la invención es usar su opción de carga trifásica para una carga más rápida. Por lo general, los hogares tienen uno o más enchufes trifásicos disponibles. Por lo general, estos enchufes están clasificados para 16 amperios por fase. En esta realización preferida, la invención está construida con tres unidades de potencia para una entrada máxima de 16 amperios cada una para utilizar la mayor parte de la corriente que puede suministrar el enchufe. Cada uno conectado a fases separadas de la red. Cuando la red funciona correctamente, cada unidad de potencia consume 16 amperios a 230 V c A . La potencia total es 3*16 A*230 V=11 040 W o aproximadamente 11 kWde potencia. Con una eficiencia del 95 %, significa aproximadamente 10,5 kW de potencia de carga en la batería. La corriente de entrada máxima puede ser diferente de 16 A, pero se usa como ejemplo porque es el límite más común para los enchufes domésticos. Al limitar la demanda de energía a 16 amperios por fase, esto no cargará completamente la conexión de 3*25 amperios y hará posible el uso normal de electricidad durante la carga.
En las realizaciones descritas según la presente invención se puede evitar la necesidad de controlar el funcionamiento del dispositivo de carga por parte del usuario. El dispositivo de carga también puede superar los problemas de fallos de la red eléctrica sin peligro para el entorno, la propiedad, la red eléctrica, la batería, el coche en general o el propio dispositivo. Además, el dispositivo de carga puede ser compatible con diferentes tipos de redes eléctricas donde (por ejemplo, EE. UU., Europa) existen diferentes tensiones y/o frecuencias de red. Además, el dispositivo de carga se puede construir de forma pequeña, ligera y con una estructura sólida para caber en un coche de pasajeros u otro tipo de vehículo sin perder equipaje o espacio de carga o sin añadir demasiado peso al coche. Los vehículos más ligeros consumen menos energía durante la conducción y, por lo tanto, logran una mayor autonomía de conducción sin aumentar el tamaño del paquete de tracción. Además, el aparato de la invención tiene otros beneficios para el consumidor a través de la eficiencia energética tales como tiempos de carga más cortos e incluso ahorros financieros cuando los clientes pueden cargar el paquete completo en esas pocas horas cuando la energía es más barata.
La estructura de la invención no se limita a los ejemplos de las figuras. Las unidades de potencia con medios de refrigeración se pueden instalar por separado de otras unidades de potencia. Cada unidad de potencia se puede ubicar por separado una de otra con un enfriamiento adecuado sin ningún efecto sobre el funcionamiento del dispositivo. El dispositivo de carga puede funcionar con cualquier cantidad de fases conectadas que se desee utilizar en el proceso de carga según la presente invención.
Aunque la invención se ha presentado con referencia a las figuras y a la descripción adjuntas, la invención no se limita a ellas, ya que la invención está sujeta a variaciones dentro del alcance permitido por las reivindicaciones.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo de carga para cargar un acumulador (103) de un vehículo a partir de una fuente (101) de energía eléctrica, el dispositivo de carga está configurado para ser integrado en el vehículo, el dispositivo de carga que comprende:
dos o más unidades de potencia (104) configuradas para ser conectadas a las fases disponibles de una fuente (101) de energía eléctrica, en donde cada unidad de potencia (104) está configurada para mantener una conexión a una fase disponible independientemente del número de fases disponibles de la fuente (101) de energía eléctrica, las conexiones de las unidades de potencia de cada una de las dos o más unidades de potencia están configuradas para hacerse a un punto neutro, y las unidades de potencia (104) tienen una electrónica de potencia (100) de tecnología de modo conmutado para operar las unidades de potencia (104); y medios (102) para enfriar dicha electrónica de potencia (100), un lado de salida del dispositivo de carga está configurado para estar conectado en paralelo entre ellos.
2. Un dispositivo de carga según la reivindicación 1, en donde la fuente (101) de energía eléctrica es una red eléctrica.
3. Un dispositivo de carga según la reivindicación 1, en donde el dispositivo de carga comprende:
tres unidades de potencia (104) configuradas para ser conectadas a tres fases de la fuente (100) de energía eléctrica, cada unidad de potencia (104) está conectada a su fase individual.
4. Un dispositivo de carga según la reivindicación 1, en donde el dispositivo de carga comprende:
al menos dos unidades de potencia (104) en conexión paralela en el lado de salida de las unidades de potencia (104).
5. Un dispositivo de carga según la reivindicación 1, en donde los medios (102) de refrigeración comprenden:
al menos un elemento de enfriamiento para transferir calor fuera de la electrónica de potencia (100).
6. Un dispositivo de carga según la reivindicación 1, en donde los medios (102) de refrigeración comprenden:
líquido refrigerante para transferir calor lejos de la electrónica de potencia (100).
7. Un dispositivo de carga según la reivindicación 1, en donde la electrónica de potencia (100) comprende:
un circuito de corrección (106) para corregir las corrientes reactivas con el fin de minimizar las interferencias a la fuente (101) de energía eléctrica.
8. Un dispositivo de carga según la reivindicación 7, en donde el circuito de corrección (106) es un circuito de corrección del factor de potencia (PFC) que está conectado a cada unidad de potencia (104).
9. Un dispositivo de carga según la reivindicación 1, en donde las unidades de potencia (104) son idénticas.
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