MXPA99010442A - Metodo y aparato para una configuracion de bateria hibrida para su uso en un sistema de energia electrica o electromotriz hibrida - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un sistema para un activador de motor eléctrico tal como el que se puede usar en un vehículo impulsado eléctricamente incorpora la combinación de una batería de densidad de alta potencia y una batería de densidad de alta energía para proporcionar una combinaciónóptima de alta energía y alta potencia, es decir, un sistema de batería híbrida. El sistema de batería híbrida en una forma incluye componentes que evitan que la energía de recarga eléctrica sea aplicada a la batería de densidad de alta potencia para incrementar el rango de un vehículo eléctrico para una cantidad dada de energía almacenada. Se utiliza una función de retardo dinámico para absorber energía eléctrica regenerativa durante la desaceleración significativa del vehículo y mientras se mantiene la velocidad en grados colina abajo, para minimizar el desgaste de los frenos mecánicos y limitar el voltaje excesivo en la batería y los dispositivos de control electrónicos de potencia. La batería de densidad de alta energía estáacoplada en circuito con un convertidor de propulsión, una batería de densidad de alta potencia, un retardador dinámico, y un circuito activador de motor de corriente alterna. El sistema de batería híbrida es controlado por un controlador de fuente de potencia híbrida que recibe señales de un controlador del sistema del vehículo usando sensores de corriente y voltaje para proporciona parámetros de retroalimentación para las funciones de contenido de batería híbrida de circuito cerrado.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA U NA CON FIG U RACIÓN DE SATERÍA HÍBRIDA PARA SU USO EN U N SISTEMA DE ENERG ÍA ELÉCTRICA O ELECTROMOTRIZ HÍBRIDA ANTEC EDENTES La presente invención se refiere a un sistema de control de energía de batería, y más específicamente, a un método de control y configuración de bajo costo para un sistema de batería híbrida que logre alta densidad de energía y alta densidad de potencia para su uso en un sistema de activación eléctrica o electromotriz h íbrido tal como el que se utiliza en vehículos impulsados eléctricamente. Los sistemas de propulsión para veh ículos impulsados de manera electromotriz ("vehículo eléctrico" o EV) generalmente usan baterías de tracción recargables para proporcionar energía eléctrica para activar motores eléctricos acoplados en relación de activación a las llantas del veh ículo. Por ejemplo, la Patente de los Estados U nidos de Norteamérica N úmero de Serie 5,373, 195 ilustra un sistema en el cual las baterías de tracción están conectadas a un enlace de corriente directa (CD) , cuyo enlace se conecta a un circuito de control de energía tal como un circuito de modulación de ancho de pulso (PWM) para controlar la energ ía a un motor de corriente directa o a un inversor controlado de frecuencia para controlar la energ ía a un motor de corriente alterna (CA) . Los sistemas de propulsión de veh ículo eléctrico h íbrido (H EV) están construidos de manera similar a sistemas de propulsión de vehículo eléctrico pero también i ncluyen motores de com bustión interna para activar generadores a bordo para complementar la energ ía de la batería . En general, las baterías de tracción para vehículos eléctricos y vehículos eléctrico.s h íbridos representan un compromiso entre la densidad de potencia y la densidad de energía. BREVE DESCR I PC IÓ N DE LA I NVENC IÓN La presente invención busca optimizar el sistema de potencia para un veh ículo impulsado eléctricamente mediante el uso de la combi nación de una batería de alta densidad de potencia y una batería de alta densidad de energ ía . Por ejemplo, la tecnología de batería de muy alta densidad de energ ía existe en forma de baterías recargables mecánicamente de cinc-aire , que se han demostrado para lograr densidades de energía de 200 W-hr/kg , comparado con una batería de plomo-ácido que típicamente logra solamente 30 - 40 W-hr/kg. Sin embargo, se informa que la densidad de potencia de d ichas baterías de cinc-aire es aproximadamente 80- 100 W/kg . En comparación , se han desarrollado las baterías de níquel-cadmio (N i-Cd) que log ran densidades de potencia de 350 W/kg con densidades de energía de 45-50 W-hr/kg . Por consiguiente, un sistema de batería h íbrida que usa una batería de cinc-aire en combinación con una batería Ni-Cd proporcionaría una combinación óptima de alta energía y alta potencia . Un problema con el uso de baterías de alta den sidad de energ ía en aplicaciones de veh ículo eléctrico es que dichas baterías no so n recargables eléctricamente , es decir, una batería tal como la batería de cinc-aire requiere recarga mecánica/electroquímica. Sin embargo, un sistema que incluye una batería de alta densidad de energía y una batería de alta densidad de potencia, cuyo sistema sería recargable mecánicamente y recargable eléctricamente, en donde la energía de recarga eléctrica no se aplica al segmento recargable mecánicamente de la batería tendría ventajas sustanciales en la capacidad operativa. Adicionalmente, un sistema de batería híbrida de este tipo podría incluye un método para capturar energía de regeneración en la configuración de batería híbrida que incrementaría el rango de un vehículo eléctrico o de un vehículo eléctrico híbrido para una cantidad dada de energía almacenada. Como se discutió anteriormente, es deseable proporcionar un método de control y configuración de bajo costo para un sistema de batería híbrida capaz de lograr densidad de alta energía y densidad de alta potencia en un sistema de propulsión híbrido de vehículo . Para este propósito, la presente invención proporciona un método y aparato para controlar la recarga de una batería híbrida que incluye una batería de densidad de alta energía, tal como una batería recargable mecánicamente, y una batería de densidad de alta potencia. El sistema de batería híbrida en una forma de la presente invención incluye componentes que evitan que se aplique la energ ía de recarga eléctrica a la batería de densidad alta energía mientras pued en capturar energía regenerativa para aplicarla a la batería de densidad de alta potencia a fin de incrementar el rango de un veh ículo eléctrico por una cantidad dada de energ ía almacenada. U na función de retardo dinámico para absorber energ ía regenerativa eléctrica se usa durante la desaceleración significativa del vehículo y mientras se mantiene la velocidad en grados colina abajo, para minim izar el desgaste de los frenos mecánicos y limitar el voltaje excesivo en los dispositivos de control electrónico de potencia. En una modalidad ilustrativa, la presente invención comprende un sistema de batería híbrida, que incluye una batería de densidad de alta energ ía acoplada en circuito con un convertidor de propulsión , una batería de densidad de alta potencia, un retardador dinámico, y un activador de motor de corriente alterna. El sistema de batería híbrida es controlado por un controlador de fuente de potencia híbrida que recibe señales desde un controlador del sistema del vehículo. El controlador de fuente de potencia híbrida usa sensores de voltaje y corriente para proporcionar parámetros de retroalimentación para las funciones de control de batería híbrida de circuito cerrado. La recarga de la batería de densidad de alta potencia se logra mediante una combinación de captura de energía regenerativa del activador y recarga del motor de la batería de densidad de alta energía . BR EVE DESCRI PC IÓ N DE LOS DI BUJOS La invención se puede comprender mejor por referencia a la siguiente descripción tomada en conjunto con los dibujos que la acom pañan en los cuales : La Figura 1 ilustra esquemáticamente un activador de tracción de corriente alterna convencional con batería de tracción e inversor de corriente directa - corriente alterna; La Figura 2 ilustra esquemáticamente un activador de tracción de corriente alterna de conformidad con una modalidad de la invención con un retardardor dinámico y una batería recargable mecánicamente; La Figura 3, ilustra esquemáticamente un activador de tracción de corriente alterna de conformidad con otra modalidad de la invención con un control de convertidor de propulsión, un retardador dinámico, y una batería recargable mecánicamente; La Figura 4, ilustra esquemáticamente una configuración de batería híbrida de conformidad con otra modalidad de la invención incluyendo un activador de tracción de corriente alterna con un control de convertidor de propulsión, un retardador dinámico, y dos baterías; La Figura 5, ilustra esquemáticamente un sistema de control de batería híbrida de conformidad con otra modalidad de la presente invención; La Figura 6, es un esquema de una modalidad modificada de una porción del circuito de activación de la Figura 3; La Figura 7, ilustra esquemáticamente una modalidad adicional de la presente invención; y La Figura 8, es una vista esquemática de múltiples baterías y convertidores de propulsión.

DESC R I PC IÓN DETALLADA DE LA I NVEN C I Ó N La Figura 1 , ilustra esquemáticamente u n sistema de activación de tracción de motor de corriente alterna convencional 10 energizado de una batería recargable eléctricamente 12 , tal como una batería de densidad de alta potencia de plomo-ácido o de otro tipo usada en aplicaciones de motor de tracción. La batería de tracción 12 está acoplada a un enlace de corriente directa 14 que acopla energía a, o recibe potencia regenerativa de , un motor o carga de tracción eléctrica 16 acoplado al enlace de corriente directa 14 mediante un convertidor de activación de tracción 18 mostrado como un inversor 18 para propósitos de la Figura 1 . El motor 16 se muestra como un motor de corriente alterna (CA) que requiere excitación de frecuencia variable, que se deriva del enlace de corriente directa 14 med iante el inversor 18, pero podría ser un motor de corriente directa (CD) acoplado a un enlace 14 mediante un circuito de control de corriente directa, tal como un convertidor de modulación de ancho de pulso (PWM). El motor de corriente alterna 16 puede comprender cualquier tipo adecuado de máquina de corriente alterna incluyendo , por ejem plo, una máquina de inducción , una máquina de síncrona de imán permanente, un motor conmutado electrónicamente o un motor de reluctancia conm utada . Un capacitor de filtro de entrada 20 del inversor 18 está acoplado a través del enlace de corriente directa 14 para filtrar el voltaje VDC en el enlace de corriente directa 14. Como el motor 16 es preferiblemente una máqu i n a de 3 fa ses , el inversor 14 es in inversor de 3 fases que tiene dos dispositivos de conmutación conectados en serie por pata de fase, es decir, los dispositivos T1 y T2 forman una primera pata de fase, los dispositivos T3 y T4 forman una segunda pata de fase y los dispositivos T5 y T6 forman una tercera pata de fase. Los dispositivos T1 - T6 son dispositivos de conmutación semiconductores convencional tales como, por ejemplo, dispositivos tipo IGBT, MOSFET, GTO, SCR O IGCT. Los diodos D1-D6 están acoplados en relación anti-paralela a través de los dispositivos respectivos de los dispositivos de conmutación T1-T6. La batería de tracción 12 en el activador de vehículo eléctrico ejemplar comúnmente tiene un voltaje terminal de más de 300 V corriente directa y puede producir varios cientos de amperios de corriente por periodos cortos de tiempo. Más específicamente, la batería de tracción 12 para un vehículo eléctrico tiene comúnmente un tamaño de suficiente densidad de potencia para cumplir los requerimientos de grado y aceleración del vehículo. Sin embargo, las densidades de energía para dichas baterías producen un rango marginal, que es la razón principal por la que los vehículos eléctricos no han alcanzado una amplia aceptación. La Figura 2 ilustra esquemáticamente una modalidad de la presente invención que es una versión modificada del activador de tracción de corriente alterna de la Figura 1 que incorpora un retardador dinámico 22, el cual permite el uso de una batería de densidad de alta energía 24 la cual, en la modalidad de la Figura 2 es una batería recargable mecánicamente. La batería 24 está acoplada al enlace de corriente d irecta 14 en lugar de la batería recargable eléctricamente de densidad de alta potencia 12. La batería recargable mecánicamente 24, tal como una batería de cinc-aire, puede tener una densidad de energía . de 200 W-hr/kg . Sin embargo, una batería de este tipo sólo puede proporcionar potencia a ia carga y no puede recibir energ ía regenerativa durante la desaceleración del vehículo. Por esta razón , un conductor unidireccional mostrado como ejemplo como un diodo 26 está conectado en el bus positivo del enlace de corriente directa 14 entre la batería recargable mecánicamente y el inversor 18 para evitar el flujo de potencia a la batería recargable mecánicamente. El retardador dinámico 22 está acoplado a través del enlace de corriente directa 14 en extremo del inversor 18 del enlace. El retardador dinámico 22 comprende un resistor de rejilla de disipación de alta potencia 28, y un dispositivo de conmutación conectado en serie. Un diodo de retorno 32 está conectado en antiparalelo con el dispositivo 30. El dispositivo 30 se opera en un modo de modulación de ancho de pulso (PWM) para variar de manera controlada la resistencia efectiva que se imprime en el enlace de corriente directa 14 med iante el resistor 28 para así lim itar el voltaje de corriente directa desarrollado en el enlace de corriente directa 14 cuando el motor 16 se opera en un modo regenerativo regresando potencia eléctrica al enlace a través del inversor 18. El motor 16 se puede operar en un modo regenerativo controlando el ángulo de la fa se de conducción de los dispositivos T 1 -T6. El modo regenerativo permite que el motor 16 actúe como una carga para retardar el veh ículo y m inim izar el desgaste en los frenos mecánicos del vehículo. Adicionalmente, los accesorios tales como luces, aire acondicionado, y bombas de dirección de potencia se pueden conectar al enlace de corriente directa y se usan para absorber energía. Regresando ahora a la Figura 3, se ilustra otra modalidad de la presente invención implantada como una modificación adicional del circuito activador de la Figura 2 incorporando un circuito convertidor de propulsión 34 para impulsar el voltaje disponible de la batería de alta energía recargable mecánicamente 24. El circuito convertidor de propulsión 34 es una versión simplificada del mostrado en la Patente de los Estados U nidos de Norteamérica N úmero de Serie 5, 710,699 y comprende esencialmente un inductor 38 conectado en el bus de voltaje del enlace de corriente directa positiva y un dispositivo semiconductor de conmutación 40 conectado a través del enlace de corriente directa . El término enlace de corriente directa 14 se usa en la presente para referirse a los buses de corriente directa positiva y negativa que tienen porciones a diferentes niveles de voltaje debido al convertidor de propulsión 34 (y debido a la batería 48 en la Figura 4) . Cada una de las porciones se incluye colectivamente en el enlace de corriente directa 14. U n diodo de corriente inversa 42 está conectado en polaridad inversa en paralelo con el dispositivo de conmutación 40. El convertidor de propulsión 34 opera poniendo en com puerta el dispositivo de conmutación 40 en conducción para colocar efectivamente el inductor 38 directamente a través de las terminales de la batería 24. Esta acción ocasiona un acumulamiento rápido de cojr?ente en el inductor. Cuando el dispositivo de conmutación 40 se pone fuera de conducción , la reactancia inductiva del inductor 38 fuerza a la corriente a continuar fluyendo en la misma dirección a través del inductor de manera que el inductor actúa como una fuente de corriente que crea un voltaje a través de la combinación de la batería 24 y el inductor 38 que es mayor que el voltaje de batería. Esto fuerza la corriente a continuar a través del diodo en serie 26 e incrementa ei voltaje efectivo en el enlace de corriente directa 14. El diodo de corriente inversa 42 proporciona una trayectoria de corriente para voltajes transitorios cuando el dispositivo 40 se pone fuera de conducción para proteger el dispositivo 40. Esta modalidad también incluye un circuito de protección 36 conectado a través del enlace de corriente directa para limitar los voltajes transitorios en el enlace. El circuito de protección puede comprender la combinación en serie de un resistor 44 y un capacitor 46. El resto del circuito activador de la Figura 3 es esencialmente el mismo que el mostrado en la Figura 2. Se notará que en la modalidad de la Figura 3 , el diodo de bloqueo 26 está incorporado en el circuito convertidor de propulsión 34. En algunas aplicaciones , puede ser deseable usar un segundo diodo en serie entre el circuito 34 y la batería recargable mecá nicamente 24. Por ejem plo, con referencia a la Fig ura 6, se muestra una porción del sistema de la Figura 3 usando dos diodos de bloqueo 26 y 27, el diodo 27 es un diodo separado que aisla la batería 24 del circuito 34. El diodo 26 permanece en el circuito convertidor de propulsión 34 pero ahora se incluye un conmutador electrónico controlable 29 (tal como un dispositivo de conmutación MOSFET, IGBT u otro) conectado en paralelo con el diodo 26 y adaptado para conducir corriente en dirección anti-paralelo alrededor del diodo 26. Esta modalidad permite ai circuito convertidor de propulsión 34 actuar como un convertidor reductor para flujo de potencia regenerativa del inversor 18 de manera que la potencia regenerativa se puede utilizar para potencia accesoria del vehículo (CARGA AUXILIAR 31) en lugar de disiparla como calor en el retardador dinámico 22. La batería 24 puede comprender una sola batería o una pluralidad de baterías acopladas en paralelo. Adicionalmente, puede ser deseable separar eléctricamente múltiples baterías y tener cada una de dichas baterías conectada al enlace de corriente directa mediante los circuitos de diodo/circuito convertidor de propulsión, es decir, cada batería recargable mecánicamente paralelamente estaría conectada al enlace de corriente directa mediante un circuito correspondiente de una pluralidad de circuitos convertidores de propulsión 34. Con referencia brevemente a la Figura 8, se muestra una forma de configuración de múltiples baterías en la cual las baterías 24a, 24b y 24 c están conectados vía los diodos respectivos 27a, 27b y 27c a los circuitos correspondientes de los circuitos convertidores de propulsión 34a, 34b y 34c. Cada circuito convertidor tiene sus terminales de salida conectadas al enlace de corriente directa 14. El uso de diodos 27a, 27b y 27c es opcional en esta modalidad. Las múltiples baterías y circuitos convertidores de propulsión proporcionan tolerancia a fallas. Si una de las baterías no funciona correctamente, deshabilitar el convertidor de propulsión se puede usar para remover efectivamente la batería defectuosa del conjunto. La Figura 4 es una modificación adicional de la modalidad de la Figura 3 y difiere de esa modalidad en la adición de una batería de densidad de alta potencia 48 a través del enlace de corriente directa en el lado del inversor del diodo de bloqueo 26. La modalidad de la Figura 4 crea una configuración de batería híbrida que es capaz de proporcionar respuesta de alta potencia para condiciones de aceleración o carga pesada usando la batería 48 mientras se proporciona al mismo tiempo un rango extendido de operación del vehículo usando la batería de densidad de alta energía 24. En esta modalidad, cuando se usa el motor para realizar el retardo eléctrico del vehículo, la energía regenerativa producida por el motor se puede transferir a la batería de densidad de alta potencia 48 para recargar efectivamente esta batería y extender el rango de operación del vehículo. Preferiblemente, el voltaje terminal de la batería de densidad de alta energía 24 es menor que el voltaje terminal de la batería de densidad de alta energía 48 de manera que sin el circuito convertidor de propulsión 34, no habría flujo de potencia de la batería 24 a la batería 48. Esto permite que el circuito convertidor de propulsión 34 sea controlado de una manera para reg ular la cantidad de energ ía obtenida de la batería 24. La energía se obtendría de la batería 24 ya sea cuando la demanda de potencia de la carga sea mayor que la que puede proporcionar la batería 48 o cuando sea necesario recargar la batería 48 de la batería 24. Una ventaja específica de la configuración de batería híbrida de la Figura 4 es que la estrategia de control para el circuito convertidor de propulsión 34 y el retardador dinámico 22 puede ser tal que permita que el voltaje del enlace de corriente directa se mantenga dentro de un rango de voltaje controlado angosto ya que la batería de potencia 48 conectado a través del enlace de corriente directa tiene una baja resistencia en serie efectiva y puede absorber mucha de la potencia regenerativa producida por el motor 16. Como se mencionó anteriormente, el circuito retardador dinámico 22 se puede usar para controlar el voltaje del enlace de corriente directa dentro de niveles aceptables arriba del voltaje de operación nominal de la batería de densidad de alta potencia 48. Sin embargo, este tipo de control de voltaje también puede ser efectiva en aplicaciones en las cuales se toma potencia auxiliar del enlace de corriente directa sin usar el retardador dinámico 22. Por ejemplo, en sistemas en los cuales la potencia de enlace de corriente directa está conectada para hacer funcionar luces, compresor de aire, aire acondicionado, bombas de transmisión de potencia y otros accesorios del vehículo (no mostrados) la combinación de estas cargas accesorias con la batería recargable 48 puede proporcionar suficiente capacidad para absorber cualquier energía regenerativa sin el uso de un retardador dinámico. Con referencia ahora a la Figura 5, se muestra un diagrama de bloques funcional de un sistema de control 50 que se puede usar para controlar la operación del circuito activador de tracción de batería híbrida de la Figura 4. El sistema de control está dividido en dos secciones, un controlador de sistema del vehículo 52 y un controlador de fuente de potencia híbrida 54. El controlador del sistema 52 esencialmente monitorea el funcionamiento del motor de variables tales como retroalimentación de par de torsión en la línea 56 y una retroalimentación de referencia de velocidad en línea 58. Un comando de torsión que puede ser simplemente una posición de acelarador se aplica al controlador 52 y con la manipulación apropiada se produce como salida como un comando de controlador de torsión al sistema activador de tracción que suministra señales para controlar los dispositivos de conmutación individuales en el inversor 18 y el dispositivo de conmutación en el retardador dinámico 22. El desarrollo de las señales del dispositivo de conmutación no es parte de la presente invención y es bien conocido en la técnica. El controlador de fuente de potencia híbrida 54 monitorea el voltaje en la batería de densidad de alta potencia 48 y el voltaje en la batería de densidad de alta energía 24 y utiliza estas variables para controlar el convertidor de propulsión 34 para regular la cantidad de potencia transferida de la batería 24 al enlace de corriente directa 14. El controlador de fuente de potencia h íbrida 52 utiliza algunas de las técnicas descritas en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número de Serie 5,659,240. En su operación esencial , un multiplicador 60 en el controlador del sistema combina las señales de retroalimentación de par de torsión y de retroalimentación de velocidad para producir una señal de retroalimentación de potencia que se acopla a través de un circuito de filtro 62 y se aplica a un circuito lim itador de potencia 64. La salida del circu ito limitador de potencia 64 se aplica a otro multiplicador 66 en donde se combina con una señal representativa del voltaje term inal de la batería de densidad de alta energía 24. Esta señal es simplemente la señal de voltaje de batería monitoreada aplicada a un circuito multipl icador de programación de ganancia 68 que produce un voltaje de corriente alterna de multiplicador ajustado representativo de la potencia de batería requerida por el ci rcuito activador. Este valor se suma en la unión 70 con otra señal de retroalimentación representativa de la potencia real entregada a la batería de densidad de alta potencia 48 monitoreando la corriente a esa batería y el voltaje a través de la misma . El producto de estos valores obtenido en el multiplicador 72 se aplica a la unión sumadora 70. Entonces , la señal de diferencia se usa para controlar la operación del convertidor de propulsión . Sin embargo, primero se modifica mediante la señal representativa de la potencia promedio que suministra la batería 48 en la unión sumadora 74. Entonces, la señal resultante se aplica al reg ulador 76 para generar un comando representativo de la corriente deseada de la batería 24. Una señal de retroalimentación de corriente se combina con esta señal en la unión 78 y la señal de diferencia se aplica entonces a un regulador 80 que suministra señales a un circuito generador de señales de modulación de ancho de pulso 82. El circuito 82 proporciona las señales de control al dispositivo de conmutación 40 en el circuito convertidor de propulsión 34. De esta manera, el circuito sirve para controlar la cantidad de energía transferida de la batería 24 al enlace de corriente directa 14. La potencia promedio que genera la batería 48 se obtiene monitoreando el voltaje terminal de la batería 48, y la salida de corriente de la batería 48 en el sensor 86. Estas señales se aplican a un multiplicador 88 para proporciona una señal de potencia que entonces se filtra en el bloque 90 y se aplica a una unión sumadora 92. En la unión sumadora 92, la potencia promedio de la batería 48 se suma con las señales obtenidas aplicando un estado de batería de algoritmo de carga, caja 94 y 96. El estado del algoritmo de carga usa el voltaje del enlace de corriente directa y la corriente de la batería 48 para calcular los amperios netos que está produciendo la batería 48. El algoritmo se utiliza para controlar los ciclos de carga para la batería 48 a fin de maximizar la vida de la batería. Una discusión más detallada del estado del algoritmo de carga de batería se proporciona en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número de Serie 5,659,240. La Figura 7 ilustra esquemáticamente un sistema de control de batería híbrida de conformidad con otra modalidad adicional de la invención que incluye una batería de densidad de alta energía recargable eléctricamente. La modalidad de la Figura 7 es sustancialmente la misma que la modalidad de la Figura 6, excepto por el cambio en la batería 24 y la eliminación del diodo de bloqueo 27, que ya no se requiere porque la batería 24 puede aceptar potencia eléctrica de recarga. En esta modalidad, la batería 24 es una batería recargable eléctricamente en lugar de una motor recargable mecánicamente. Aunque las baterías convencionales recargables eléctricamente no tienen tanto almacenamiento de energía como las baterías # convencionales recargables mecánicamente, una ventaja de las baterías recargables eléctricamente es el hecho que se pueden recargar en posición, a diferencia de las baterías recargables mecánicamente que se deben remover de un vehículo eléctrico para recargarlas. Las baterías de densidad de alta energía recargables eléctricamente adecuadas incluyen, por ejemplo, baterías de litio-ión, baterías híbridas de níquel - metal, o baterías de sodio - níquel -cloruro. Aunque la invención se ha descrito en lo que se considera actualmente una modalidad preferida, varias modificaciones serán evidentes para los expertos en la técnica. Por consiguiente, se pretende que la invención no esté limitada a la modalidad específica descrita sino que sea interpretada dentro del completo espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (29)

1. REIVI N DICAC I ONES 1 . Una configuración de batería híbrida para un sistema energizado eléctricamente en el cual la carga de la batería está sujeta a carga de alta potencia intermitente, el sistema incluye una batería h íbrida acoplada para sum inistrar potencia eléctrica vía un enlace de corriente directa a una carga y un sistema de control para controlar la aplicación de potencia a la carga, la configuración de batería híbrida comprende: una batería de densidad de alta energ ía (H ED) acoplada al enlace de corriente directa; una batería de densidad de alta potencia (H PD) acoplada al enlace de corriente directa; y un convertidor de propulsión , que incluye un conductor unidireccional , acoplado en circuito entre la batería de densidad de alta energía y la batería de densidad de alta potencia para impulsar selectivamente el voltaje de la batería de densidad de alta energ ía a un nivel suficiente para forzar corriente a través del acoplador unidireccional a la batería de densidad de alta potencia.
2. 2. La configuración de batería híbrida de la reivindicación 1 en donde la batería de densidad de alta energía incluye un conjunto de baterías de densidad de alta energía y el convertidor de propulsión incluye una pluralidad de convertidores de propulsión , cada uno de los convertidores de propulsión está acoplado entre una batería respectiva de las baterías de den sidad de alta energía y la batería de densidad de alta potencia .
3. 3. La configuración de batería h íbrida de la reivindicación 1 , que incluye adicionalmente un retardador dinámico acoplado en circuito entre la batería de densidad de alta potencia y ia batería de densidad de alta energía para controlar el voltaje del enlace de corriente directa dentro de niveles seleccionados del voltaje de operación nominal de la batería de densidad de alta potencia.
4. 4. La configuración de batería híbrida de la reivindicación 3, en donde la batería de densidad de alta energía comprende por lo menos una batería recargable mecánicamente, y en donde el acoplador unidireccional evita que la corriente fluya de la batería de densidad de alta potencia a la batería de densidad de alta energía.
5. 5. La configuración de batería h íbrida de la reivindicación 3, en donde el circuito de propulsión com prende: un inductor acoplado entre la batería de densidad de alta energía y el conductor unidireccional; un primer conmutador acoplado en una unión del inductor y el conductor unidireccional ; y un sistema de control para poner en compuerta el primer conmutador en conducción para establecer una corriente a través del ind uctor y para poner en compuerta el primer conmutador fuera de cond ucción en donde la corriente del inductor se fuerza a través del conductor unidireccional .
6. 6. La configuración de batería híbrida de la reivindicación 3 , en donde el retardador dinámico comprende la combinación en serie de una resistencia disipadora de potencia y un segundo conmutador con el sistema de control operable para poner en compuerta selectivamente el segundo conmutador en y fuera de conducción para controlar el voltaje a través de la batería de densidad de alta potencia.
7. 7. La configuración de batería híbrida de la reivindicación 1, en donde la batería de densidad de alta energía comprende una batería recargable eléctricamente.
8. 8. La configuración de batería híbrida de la reivindicación 7, en donde la batería de densidad de alta energía comprende una batería de sodio - níquel - cloruro, una batería de litio-ión, o una batería híbrida de níquel - metal.
9. 9. La batería híbrida de la reivindicación 7, incluyendo adicionalmente un conmutador conectado en paralelo con el conductor unidireccional para permitir selectivamente la transferencia de corriente a la batería de densidad de alta energía.
10. 10. La batería híbrida de la reivindicación 1, incluyendo adicionalmente un diodo conectado en serie entre la batería de densidad de alta energía y el convertidor de propulsión, el diodo tiene un poste para bloquear corriente del convertidor de propulsión a la batería de densidad de alta energía.
11. 11. La configuración de batería híbrida de la reivindicación 10 en donde la batería de densidad de alta energía comprende un conjunto de baterías recargables mecánicamente, ei diodo incluye una pluralidad de diodos, y el convertidor de propulsión incluye una pluralidad de convertidores de propulsión , cada u na de las baterías recargables mecánicamente está aislada de las otras baterías recargables mecánicamente mediante un diodo correspondiente de los diodos, cada uno de los diodos conecta una batería asociada de las baterías recargables mecánicamente a un convertidor respectivo de los convertidores de propulsión, y cada uno de los convertidores de propulsión está acoplado a la batería de densidad de alta potencia.
12. 12. La batería híbrida de la reivindicación 10 incluye adicionalmente un conmutador conectado en paralelo con el conductor unidireccional para permitir selectivamente la corriente en la dirección inversa a través del convertidor de propulsión , el sistema incluye dispositivo de carga auxiliares conectados en circuito entre el diodo y el convertidor de propulsión para utilizar la corriente inversa.
13. 13. U n sistema de potencia de batería híbrida para un motor eléctrico de corriente alterna, el sistema comprende: un enlace de corriente directa (CD) ; un inversor acoplado entre el enlace de corriente directa y el por lo menos un motor de corriente alterna; y una batería de densidad de alta energía y una batería de densidad de alta potencia, cada batería está acoplada en circuito con el en lace de corriente directa de manera que la energía se puede proporcionar al inversor conjuntamente de las baterías, el enlace de corriente directa está configurado de ma nera que la energ ía regenerativa del motor se proporciona a la batería de densidad de alta potencia y se aisla de la batería de densidad de alta energía.
14. 14. El sistema de potencia de batería híbrida de la reivindicación 13 incluyendo adicionalmente un diodo conectado en el enlace de corriente directa entre la batería de densidad de alta energía y la batería de densidad de alta potencia, el diodo tiene un polo para evitar el flujo de corriente de la batería de densidad de alta potencia a la batería de densidad de alta energía.
15. 15. El sistema de potencia de batería híbrida de la reivindicación 14 incluyendo adicionalmente un circuito de propulsión de voltaje conectado en circuito con la batería de densidad de alta energía para permitir selectivamente la transferencia de potencia de la batería de densidad de alta energía a ia batería de densidad de alta potencia.
16. 16. El sistema de potencia de batería híbrida de la reivindicación 15 en donde el circuito de propulsión de voltaje comprende la combinación en serie de un inductor y un conmutador electrónico controlable, el inductor está conectado en serie entre la batería de densidad de alta energía y el diodo, el conmutador está conectado a una unión entre el inductor y el diodo y está configurado para colocar el inductor en una posición de corto circuito a través de la batería de densidad de alta energía para establecer una corriente a través cuando el conmutador está conduciendo, y un sistema de control acoplado para colocar selectivamente el conmutador en compuerta en y fuera de conducción para impulsar la corriente a través del diodo a la batería de densidad de alta potencia.
17. 17. El sistema de potencia de batería híbrida de la reivindicación 16 que incluye un retardador dinámico acoplado al enlace de corriente directa en la batería de densidad de alta potencia para controlar el voltaje en el enlace de corriente directa.
18. 18. El sistema de potencia de batería híbrida de la reivindicación 17 en donde el retardador dinámico comprende la combinación en serie de un resistor de potencia y un segundo conmutador controlable electrónicamente, el segundo conmutador está colocado en compuerta selectivamente en y fuera de conducción para variar la resistencia efectiva que aparece en el enlace de corriente directa para limitar la magnitud del voltaje en el enlace.
19. 19. El sistema de potencia de batería híbrida de la reivindicación 17, incluyendo adicionalmente por lo menos un dispositivo accesorio energizado eléctricamente acoplado al enlace de corriente directa para capturar potencia regenerativa.
20. 20. Un sistema activador de tracción que comprende: un motor de tracción eléctrica; un convertidor activador de tracción acoplado para proporcionar potencia al motor; una batería recargable mecánicamente; un enlace de corriente directa para acoplar potencia de corriente directa de la batería al convertidor activador de tracción; un diodo conectado en el enlace de corriente directa para bloquear la transferencia de potencia del convertidor activador de tracción a la batería; y un retardador dinámico conectado al enlace de corriente directa para utilizar potencia por lo menos cuando el motor está operando en un modo regenerativo .
21. 21 . El sistema activador de tracción de la reivindicación 20 incluyendo adicionalmente un convertidor de propulsión de voltaje conectado en el enlace de corriente directa para incrementar una mag nitud efectiva de voltaje de la batería.
22. 22. El sistema activador de tracción de la reivindicación 21 en donde el motor es una máquina de tres fases y el convertidor activador de tracción incluye tres patas-fase para proporcionar potencia eléctrica de tres fases de frecuencia controlada al motor.
23. 23. El sistema activador de tracción de la reivindicación 22, en donde el convertidor activador de tracción incluye una pluralidad de dispositivo de conmutación eléctricos controlables y el sistema incluye un sistema de control para proporcionar señales de compuerta a cada uno de los dispositivos de conmutación para operar selectivamente el convertidor activador de tracción para tran sferir potencia al motor en un modo de motorización y para controlar la transferencia de potencia eléctrica del motor para operar el motor en un modo de retardo eléctrico.
24. 24. El sistema activador de tracción de la reivindicación 22 , en donde el retardador dinámico es operable para regu lar el voltaje en el enlace de corriente d irecta .
25. 25. El sistema activador de tracción de la reivi ndicación 22 incluyendo adicionalmente una pluralidad de diodos en donde la batería comprende un conjunto de baterías recargables mecánicamente; el convertidor de propulsión incluye una pluralidad de convertidores de propulsión , y cada una de las baterías se aisla de las otras baterías mediante un diodo correspondiente de una pluralidad de diodos, cada uno de los diodos conecta una batería asociada de las baterías a un convertidor respectivo de una pluralidad de convertidores de propulsión , y cada uno de los convertidores de propulsión está acoplado al enlace de corriente directa .
26. 26. U n sistema de motor de tracción eléctrica de corriente alterna (CA) que comprende: un motor de tracción eléctrica de corriente alterna ; una batería recargable mecánicamente; un enlace de corriente directa (CD) acoplado a la batería; un inversor bidireccional de corriente directa a corriente alterna y de corriente alterna a corriente directa conectado entre el enlace de corriente directa y el motor de corriente alterna; un convertidor de propulsión de voltaje conectado en el enlace de corriente directa y adaptado para impulsar selectivamente el voltaje de la batería a un nivel suficiente para transferir corriente al enlace de corriente directa , el convertidor de propulsión incluye un d iodo para bloquear corriente del enlace a la batería, e incluyendo adicionalmente un dispositivo de conmutación controlable conectado en anti-paralelo con el diodo para pasar corriente selectivamente en una dirección inversa a través del convertidor de propulsión; un segundo diodo conectado en el enlace de corriente directa entre la batería y el convertidor de propulsión para bloquear corriente del convertidor de propulsión a la batería; y dispositivos de carga auxiliares acoplados al enlace de corriente directa entre el segundo diodo y el convertidor de propulsión para utilizar corriente inversa del convertidor de propulsión.
27. 27. El sistema de motor de tracción de la reivindicación 26, incluyendo adicionalmente un retardador dinámico acoplado al enlace de corriente directa entre ei inversor y el convertidor de propulsión, el circuito de retardo se opera selectivamente para regular el voltaje en el enlace de corriente directa en el inversor.
28. 28. El sistema de motor de tracción de la reivindicación 27, en donde el retardador dinámico comprende un resistor de potencia acoplado a un conmutador electrónico controlable para modular la resistencia efectiva del resistor.
29. 29. El sistema de motor de tracción de la reivindicación 26, en donde la batería comprende un conjunto de baterías; el diodo incluye una pluralidad de diodos; y el convertidor de propulsión incluye una pluralidad de convertidores de propulsión, cada una de las baterías está aislada de las otras baterías mediante un diodo correspondiente de los diodos, cada uno de los diodos conecta una batería asociada de las baterías a un convertidor respectivo de los convertidores de propulsión , y cada u no de los convertidores de propulsión está acoplado al enlace de corriente directa. RESU MEN U n sistema para un activador de motor eléctrico tal como el que se puede usar en un vehículo impulsado eléctricamente incorpora la combinación de una batería de densidad de alta potencia y una batería de densidad de alta energía para proporcionar una combinación óptima de alta energía y alta potencia , es decir, un sistema de batería híbrida . El sistema de batería híbrida en una forma incluye componentes que evitan que la energ ía de recarga eléctrica sea aplicada a la batería de densidad de alta potencia para incrementar el rango de un veh ículo eléctrico para una cantidad dada de energía almacenada. Se utiliza una función de retardo dinámico para absorber energ ía eléctrica regenerativa durante la desaceleración significativa del vehículo y mientras se mantiene la velocidad en grados colina abajo, para minim izar el desgaste de los frenos mecánicos y limitar el voltaje excesivo en la batería y los d ispositivos de control electrónicos de potencia. La batería de densidad de alta energía está acoplada en circuito con un convertidor de propulsión , una batería de densidad de alta potencia, un retardador dinámico, y un circuito activador de motor de corriente alterna. El sistema de batería h íbrida es controlado por un controlador de fuente de potencia híbrida que recibe señales de un controlador del sistema del veh ículo usando sensores de corriente y voltaje para proporciona parámetros de retroalimentación para las funciones de conten ido de batería h íbrida de ci rcuito cerrado.