PT100665A

PT100665A - Processo e dispositivo para a operacao de um conversor de corrente alternada/corrente continua de um meio de accionamento de corrente trifasica de um automovel electrico como ararelho de carga de bordo

Info

Publication number: PT100665A
Application number: PT100665A
Authority: PT
Inventors: Hans-Juergen Toelle; Bernhard Piepenbreier
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1991-07-08
Filing date: 1992-07-07
Publication date: 1994-05-31
Also published as: EP0593472A1; ES2070501T3; WO1993001650A1; EP0593472B1; DE59105128D1

Description

Descrição referente à patente de in venção, SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, alemã industrial e comercial, com sede em Wittelsbacherplatz 2, D-8000 Múnchen, República Federal Alemã, (inventores: Hans-Juergen Toelle e Dr. Bernhard Piepenbreier, residentes na Alemanha), para: "PROCESSO E DISPOSITIVO PARA A OPERAÇÃO DE UM CONVERSOR DE CORRENTE ALTERNADA/CORRENTE CONTÍNUA DE UM MEIO DE ACCIO-NAMENTO DE CORRENTE TRIFÁSICA DE UM AUTOMÓVEL ELÉCTRICO COMO APARELHO DE CARGA DE BORDO".

DESCRICÃO A presente invenção refere-se a um processo e a um dispositivo para a operação de um conversor de corrente alternada/corrente contínua, de um meio de ac-cionamento de corrente trifãsica de um automóvel eléctrico como aparelho de carga a bordo. É conhecido, da publicação BBC D VK 125 781 D (publicação especial da BBC-Nachrichten, Heft 10, 1981), com o título "Umweltfreundlicher Elektroantrieb fiir VW -Golf" um meio de accionamento eléctrico. Um tal meio de ac-cionamento eléctrico contém módulos de armazenamento de energia, também denominados baterias de tracção, um motor eléc- 1 trico de tracção com transmissão, um comando de marcha e um transformador de carga, uma bateria de bordo e um carregador de bordo. Como motor eléctrico de tracção previu-se uma máqui na de corrente continua com excitação separada. Este motor e-léctrico de tracção, a transmissão e um suporte de componentes com comando do induzido, comando do campo de excitação, transformador de carga, electrónica e ventilador, constituem uma unidade de accionamento compacta.

Do artigo "Neues Kraftpaket fur um-weltfreundliche Elektroautors" publicado na Zeitschrift ABB--Technik 2/88, é conhecido que os automóveis eléctricos são indicados para uma rede de estações de carga o mais densa pos sível. Este problema é resolvido se ao equipamento do automóvel pertencer um carregador que permita que o automóvel e-léctrico possa ser ligado a qualquer tomada de corrente alternada. Numa tomada de 16 A, retira-se, a 220 V, uma potência aparente de 3,5 KVA.

Mas as empresas de fornecimento de energia exigem consumidores com características favoráveis para a rede, com potência reactiva e distorção reduzidas. Portanto, na carga é regulada a corrente da rede. Em contraste com as baterias de chumbo, para as baterias de energia ele vada é bastante um processo muito simples. 0 carregador faz a carga com corrente constante e desliga-se quando a tensão da bateria atingir o valor máximo. Com este processo atinge-se um rendimento de carga superior a 90%, visto que não aparecem domínios parciais de carga no carregador com rendimento reduzido.

Na revista ,,Brown Boverie Technik 5--85, pag. 229 a 234,está representada esquematicamente a cons tituição de um carregador. Como cada vez mais as empresas de fornecimento de energia exigem consumidores com características favoráveis para a rede, com valores reduzidos da potência reactiva e da distorção, de uma rede de corrente alternada apenas pode retirar-se corrente amplamente sinusoidal, pobre em harmónicas de grau superior, com cos (j9 = 1, com um ' regulador elevador. Toda a potência aparente (3,5 KVA) pode • ser usada como potência de carga, donde resulta um encurta- 2 t mento considerável do tempo de carga. Portanto, um carregador é constituído por um filtro da rede eliminador de ruídos, depois do qual está ligado um rectificador, um regulador elevador com um condensador ligado em série, um conversor de cor rente alternada/corrente contínua com um transformador no lado da entrada e um rectificador no lado da saída, o regulador elevador está ligado em série com o rectificador de saída e o conversor em série com o condensador. 0 rectificador do lado de saída está combinado com o enrolamento secundário do trans formador. 0 regulador tem a seu cargo manter a tensão no condensador sempre maior do que o valor de pico da tensão da rede. 0 conversor, que é formado por dois transístores cada um deles com um díodo de funcionamento em vazio, funciona com uma frequência de impulsos de por exemplo 20 KHz.

Como a bateria de bordo tem de carregar-se mesmo durante a marcha, é necessário um transformador de carga. Com o regulador elevador e o conversor do carre gador de bordo, e com um segundo transformador ou enrolamento do transformador, pode também formar-se o transdormador de carga. Como o carregador de bordo e o transformador de carga têm os mesmos componentes, o carregador de bordo e o transformador de carga são combinados. 0 volume de construção deste aparelho combinado é determinado preponderantemente pelo carregador de bordo, de modo não é muito grande a diminuição do volume de construção e portanto a economia de espaço.

Cada carregador de bordo necessita, no automóvel eléctrico, de um local apropriado. Um grande inconveniente dos carregadores de bordo reside no entanto no facto de terem uma influência indesejada no volume e no peso do automóvel eléctrico. A presente invenção tem por objec-tivo resolver o problema de proporcionar um carregador de bor do que não apresente os inconvenientes indicados.

Segundo a presente invenção, o pro-| blema é resolvido com as características das reinvindicações • 1 e 5, ou das reivindicações 5 e 6. 3 A presente invenção baseia-se no conhecimento de que um conversor de corrente alternada/corrente contínua de um meio de accionamento de corrente trifá-sica de um automóvel eléctrico e um carregador de bordo nunca podem nem devem funcionar simultaneamente. Como aqui um automóvel eléctrico está dotado com um meio de accionamento de corrente trifãsica, constituído por um conversor trifásico e um motor trifásico,os componentes ou ramos da ponte deste con versor podem ser ligados funcionalmente como um regulador ele vador e um regulador abaixador, podendo funcionar como tais. Para isso adicionam-se alguns elementos simples, tais como protecções, e um programa "Serviço de carga" no comando existente e na gestão do automóvel existente, de modo que o conversor de corrente alternada/corrente contínua do meio de accionamento de corrente trifásica já colocado a bordo do automóvel eléctrico, por um lado, em marcha, alimenta o motor trifásico e, na operação de carga, pode ligar-se a uma tomada de corrente alternada e carregar a bateria de tracção.

Como a constituição funcional do con versor de corrente alternada/corrente contínua é, por um lado, regulada como regulador elevador, pode retirar-se da rede de corrente alternada uma corrente amplamente sinusoi-dal, pobre em harmónicas de ordem superior, com cos φ — 1, sen do portanto o automóvel eléctrico um receptor com caracterís-ticas não prejudiciais para a rede, que satisfaz as exigências das empresas de fornecimento de energia. Ao mesmo tempo consegue-se obter uma potência de carga elevada. Deve aqui no tar-se que nada se alterou na construção espacial do conversor de corrente alternada/corrente continua dos meios de accionamento de corrente trifásica do automóvel eléctrico.

Da publicação BBC D VK 400 76 D, com o titulo "Vierquadrantenstel ler - eine netzfrundliche Eins-peisung fur Triebfahrzeuge mit Drehstromantrieb", publicação especial de "Elektrische Bahnen", Ano 45,tomo 6, 1974,é conhe eido um circuito de alimentação. Um circuito de alimentação desse género produz uma tensão contínua constante com um teor * reduzido de harmónicas de grau superior, sendo portanto o • mais reduzido possível o factor de tremor. Da rede de corren- 4 te alternada (rede de alimentação) retira-se tanto quanto possível apenas potência activa, isto é, é elevado o valor do factor de potência. Os custos da instalação, em peso, volume e despesa, devem ser o menores possíveis. Nesta publicação estão representadas uma forma de realização de dois quadrantes e uma forma de realização de quatro quadrantes do regulador e um esquema de blocos da regulação pertencente à forma de realização de quatro quadrantes.

Portanto, pode proporcionar-se com o processo e o dispositivo segundo a presente invenção um carre gador para um automóvel eléctrico com meios de accionamento de corrente trifásica, que não tem os inconvenientes mencionados .

Formas de realização aperfeiçoadas vantajosas do dispositivo para a relização do processo segundo a presente invenção podem ver-se nas reivindicações secundárias.

Para uma explicação mais pormenorizada, faz-se referência aos desenhos anexos, nos quais estão ilustrados dois exemplos de realização da presente invenção , esquemat icamente.

As figuras dos desenhos representam: A fig. 1, uma forma de realização conhecida de um meio de accionamento de corrente trifásica de um automóvel eléctrico; A fig. 2, uma primeira forma de realização segundo a presente invenção do aparelho de carga montado funcionalmente, e A fig. 3, uma segunda forma de realização do aparelho de carga montado funcionalmente.

Na fig. 1, está representada uma for ma de realização conhecida de um meio de accionamento (2) de corrente trifásica, sendo este meio de accionamento (2) cons tituido por um conversor de corrente alternada/corrente contínua (4) e um motor trifásico (6), em especial uma máquina síncrona de excitação permanente. Além disso, nesta figura 5 está ilustrado um dispositivo (8) de regulação e vigilância, na forma de um esquema de blocos. Além disso ainda está repre sentada uma bateria de tracção (10), que pode ser ligada, por meio de duas protecções (12) ou contactos, com os terminais de corrente continua (P) e (M) do conversor de corrente alternada/corrente contínua (4). 0 motor trifãsico (6) pode também ligar-se, igualmente por meio de protecções (14), com os terminais de ligação da corrente alternada (R) , (S) e (T) do conversor de corrente alternada/corrente contínua (4).

Como conversor de corrente alternada/ corrente contínua (4) previu-se um conversor comandado por impulsos, que apresenta, no lado da entrada, um condensador em derivação (16), o conversor de corrente alternada/corrente contínua (4) contém três ramos de ponte (18), (20) e (22), de constituição idêntica. Para maior clareza, representaram-se em cada ramo de ponte apenas as válvulas rectificadoras (Tl,-T2) ou (T3,T4) ou (T5,T6), respectivamente, com os respecti-vos circuitos de comando de ataque (24). Como válvulas recti-ficadoras de corrente (Tl) a (T6), podem utilizar-se semicondutores de potência desligáveis, por exemplo tiristores GTO ("Gate-Turn-Off-Tiristors" - Tiristores de desligação da porta) ou transístores bipolares, em especial transístores IGBT (Insulated-Gate-Turn-Off-Transistors"- Transístores de desligação com porta isolada). A escolha de uma válvula rectifica-dora de corrente apropriada depende da potência do motor tri-fásico (6) a alimentar e do preço. Cada um dos circuitos de comando (24) recebe um sinal correspondente do estado de ligado (S^ , (S2), ... , (Sg), respectivamente. A cada válvula rectificadora de corrente (Tl) a (T6) pertence também ainda um circuito de protecção e vigilância, não representados, para maior clareza do esquema, dependendo a sua constituição dos semicondutores de potência utilizados. Os sinais de estado de ligação (Sy^, com \ = 1-6 são gerados por um comando (26), conhecido. Para isso, são levadas a este comando (26) duas correntes de saída iRW e igw do conversor de corrente alternada/corrente contínua, que são medidas por meio de um dispositivo (28) de captação da corrente colocado nas saídas (R) e (S) do conversor de corrente alternada/corrente 6 contínua. Além disso, são levados a este comando (26) que, em particular, é um microcomputador, a partir de um meio de gestão (30) do automóvel, por exemplo um sinal de libertação, um sinal de bloqueio e valores prescritos, os quais são agrupados para formar um sinal SFM. 0 comando (26) gera, além dos sinais de estado de ligação (Sp, também sinais de mensagens (Sz)/ que são levados ao meio de gestão do automóvel (30). Do lado da entrada dos meios de gestão do automóvel (30) hã um sinal de marcha SF^ e um sinal de carga que são accio-nados, de maneira conhecida, pelo condutor.

Para a alimentação de corrente ao dispositivo de regulação e vigilância (8) , em especial o comando (26), previu-se uma alimentação de corrente (32). Este alimentador de corrente (32) pode ser combinado, no lado da entrada, por exemplo com os terminais de corrente contínua (P) e (M) do conversor de corrente alternada/corrente contínua (4), indicado por linhas de ligação a tracejado, mas também com uma bateria de bordo, não representada.

Na fig. 2, está representada em pormenor uma primeira forma de realização do dispositivo para a realização do processo de operação de um conversor de corrente alternada/corrente contínua (4) de um meio de accionamento de corrente trifãsica (2) de um automóvel elêctrico, como apa relho de carga de bordo. Os componentes iguais têm as mesmas referências nas fig. 1 e 2. Por meio da modalidade de serviço "Serviço de carga", o meio de gestão (30) do automóvel gera, activado pelo sinal de carga SLD, sinais de comando das pro-tecções Sg^, para as referidas protecções (12) e (14) e para as protecções adicionais (34) e (36) . Por meio destes sinais de comando das protecções Sg^, desligam-se o motor de corren te trifásica (6) dos terminais de ligação da corrente alterna da (R), (S) e (T), e a bateria de tracção (10) dos terminais de corrente contínua (P) e (M) do conversor de corrente alternada/corrente contínua. A bateria de tracção (10) é então ligada, por meio dos sinais de comando das protecções Sg^, com um terminal de ligação (38) no terminal de ligação de cor rente alternada (S) e com o outro terminal de ligações (40) no terminal de ligação de corrente contínua (M) do conversor 7 de corrente alternada/corrente contínua (4) . O terminal de ligação (40) da bateria de tracção ((10) pode no entanto também ser ligado ao terminal de ligação de corrente contínua (P) do conversor de corrente alternada/corrente contínua (linhas a tracejado).

Os terminais de ligação de corrente alternada (R) ou (T), respectivamente, do conversor de corrente alternada/corrente contínua (4), são cada um deles ligado, através de uma protecção (34) com um terminal de ligação de alimentação (42) ou (44), respectivamente. A estes ter minais de ligação (42) e (44) pode ligar-se uma rede de corrente alternada (46).

Por meio desta cablagem dos terminais de alimentação (42) e (44) e da bateria de tracção (10) , os ramos de ponte (18), (20) e (22) do conversor de corrente alternada/corrente contínua (4) não combinados de novo. Os ramos (18) e (22) da ponte, com os seus terminais de ligação de corrente alternada (R) e (T), formam então um regulador de quatro quadrantes, que funciona como circuito de alimentação, com características favoráveis para a rede, para o condensador em derivação (16) . 0 ramo de ponte (20) do conversor de corrente alternada/corrente contínua (4) é então usado como regulador abaixador ou como vibrador de carga para a bateria de tracção (10). Na nova combinação das pontes (18), (20) e (22) do conversor de corrente alternada/corrente contínua (4) deve ter-se em atenção que a unidade funcional regulador elevador, ou regulador de quatro quadrantes, e a unidade funcional regulador abaixador, ou vibrador de carga, contêm respectivamente um ramo de ponte (18) ou (20), em cuja saída não se coloca um dispositivo de captação de corrente (28).

Com a activação da modalidade de ser viço "Serviço de carga", por meio do sinal de carga S·^, acti va-se no comando (26) um subprograma que gera então sinais de estado de ligação (Sy), com os quais, por um lado, se regula o regulador elevador de modo tal que, por um lado se retira da rede de corrente alternada (4) uma corrente amplamente si-nusoidal, pobre em harmónicas de ordem superior, com coso^= 1, e, por outro lado, o ramo de ponte (20) funciona como regula- 8 dor abaixador, de modo tal que é aplicada à bateria de trac-ção (10) uma corrente de carga, em função da característica de carga. 0 regulador elevador tem a seu cargo manter a tensão U^, no condensador em derivação (16), sempre maior do que o valor de pico da tensão da rede. 0 regulador abaixador é alimentado a partir do condensador em derivação (16).

Por meio do carregador de bordo formado funcionalmente a partir de componentes do conversor de corrente alternada/corrente contínua (4) obtêm-se as seguintes vantagens: - Os semicondutores de potência e o dispositivo de refrigeração já existem no conversor de corrente alter nada/corrente contínua (4). Além dos aparelhos de co mutação que estabelecem as ligações indicadas e os filtros de interferências (EMVj eventualmente necessários, em função das prescrições aplicáveis, não são necessários quaisquer outros componentes para a parte de potência do carregador de bordo.

Em geral, os semicondutores de potência do conversor de corrente alternada/corrente contínua são dimensio nados para correntes que ultrapassam um múltiplo das correntes que passam no serviço de carga. Isso tem uma acção vantajosa no rendimento. A electrónica de comando do conversor de corrente al ternada/corrente contínua (4) é construída em geral com microprocessadores e/ou outros circuitos programáveis. Portanto, para o serviço de carga, há apenas que fazer correr um outro conjunto de programas; não é necessário qualquer equipamento físico prõprio para o carregador.

As captações necessárias de valores prescritos (correntes, tensões), bem como os equipamentos auxiliares atrás referidos estão também já contidos no conversor de corrente alternada/corrente contínua (4).

Na fig. 3 está representada uma se-. gunda forma de realização do dispositivo para a realização do 9 processo para a operação de um conversor de corrente alterna-da/corrente contínua (4) de um meio de accionamento de corrente trifásica (2) de um automóvel eléctrico como carregador de bordo. Esta segunda forma de realização difere da primeira pelo facto de se utilizar como regulador elevador apenas a ponte (18) do conversor de corrente alternada/corrente contínua (4). Além disso, o terminal de ligação (42) pode ser ligado, através de uma protecção (34) , com o ternimal de ligação de corrente contínua (M) do conversor de corrente alternada/ corrente contínua (4). Nos terminais de ligação (42) e (44) está então ligado em primeiro lugar um rectificador da rede (46), a cuja entrada pode ser ligada uma rede de tensão alternada (46). Pela utilização do rectificador da rede (48) simplifica-se o regulador elevador e a sua regulação de maneira notável.

Numa segunda forma de realização van tajosa, o rectificador da rede (48) faz parte integrante do rectificador de corrente de um automóvel eléctrico. Este apa relho rectificador de corrente poderia também receber, por exemplo, um circuito de ressonância série de absorção, constituído pela ligação em série de um condensador e uma indutân cia, que pode ser ligado em paralelo com o condensador em derivação (16). 10

Claims

REIVINDICAÇÕES — 1- — Processo para a operação de um conversor de corrente alternada-corrente contínua (4) de um meio de accionamento de corrente trifásica (2) de um automóvel eléctrico como aparelho de carga de bordo, caracterizado por, durante uma operação de carga, se regularem dois ramos (18, 22) de uma ponte deste conversor de corrente alternada-cor-rente contínua (4) como ajustador-elevador, de modo tal que, em função de uma alimentação favorável para a rede, se aplica uma tensão contínua (Ud) e um condensador (16) do circuito intermédio do conversor de corrente alternada-corrente contínua (4), e por se regular um outro ramo (20) da ponte deste conversor de corrente alternada-corrente contínua (4) como ajustador-abaixador, de modo que, em função de uma caracte-rística de carga e uma bateria de tracção (10) do automóvel eléctrico, se aplica à mesma uma corrente de carga proveniente do condensador (16) do circuito intermédio. - 2B - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, durante uma operação de carga se re guiar um ramo (18) da ponte deste conversor de corrente alter nada-corrente contínua (4) como ajustador-elevador, de modo tal que, em função de uma alimentação de corrente contínua, se aplicar uma tensão contínua (Ud) a um condensador (16) do circuito intermédio do conversor de corrente alternada-corrente contínua (4) , e por se regular um outro ramo (20) da ponte deste conversor de corrente alternada-corrente contínua (4) como ajustador-abaixador de modo que, em função de uma ca racterística de carga de uma bateria de tracção (10) do automóvel eléctrico, se aplica à mesma uma corrente de carga proveniente do condensador (6) do circuito intermédio. - 3§ - Processo de acordo com as reivindica ções 1 ou 2, caracterizado por ser activado em função de um sinal de carga (SLD). 11 - 42 - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por, com a geração do sinal de carga (Sjjq) por um lado, se separar o motor de corrente trifásica (6) do meio de accionamento de corrente alternada (2) dos ter minais de ligação da corrente alternada (R,S,T) e, por outro lado, se separar a bateria de tracção (10) dos terminais de corrente contínua (P,M) do conversor de corrente alternada--corrente contínua (4) e por estes terminais de corrente alternada (T,S) serem ligados, por um lado, com dois terminais de alimentação (42) e (44) e, por outro lado, com um terminal de ligação (38 ou,respectivamente, 40) da bateria de tracção, sendo o outro terminal de ligação (40 ou,respectivamente, 38) da bateria de tracção (10) com um terminal de ligação de corrente contínua (P ou, respectivamente M). - 5a - Dispositivo para a realização do pro cesso de acordo com a reivindicação 1, com um meio de accionamento de corrente trifásica (2), constituído por um motor de corrente trifásica (6) e um conversor de corrente alter-nada-corrente contínua (4) , podendo os terminais de ligação de corrente contínua (P,M) do conversor de corrente alter-nada-corrente continua (4) ser ligados, através de um condensador (16) do circuito intermédio e de protecções (12), com uma bateria de tracção (10) e os seus terminais de ligação de corrente alternada (R,S,T), através de protecções (14) com o motor de corrente trifásica (6), gerando-se em fun ção de sinais (Sp^) de um equipamento de gestão (30) do automóvel e de duas correntes de saída (iRW isw) medidas no conversor de corrente alternada-corrente continua, por meio de um comando (26), sinais de estado de comutação (S2) para o conversor de corrente alternada-corrente contínua (4), caracterizado por, por um lado poderem ligar-se dois terminais de ligação de corrente alternada (R,T) deste conversor de corrente alternada-corrente contínua (4), através de protecções (34) com dois terminais de ligação de alimentação (42,44) e, por outro lado, terceiro terminal de ligação de corrente alternada (S) e um terminal de ligação de corrente contínua (P 12 ou, respectivamente, M) do conversor de corrente alternada--corrente contínua (4) poderem ligar-se, através de protec-ções (36), com os terminais de ligação (38,40) da bateria de tracção (10). - 6a - Dispositivo para a realização do pro cesso de acordo com a reivindicação 2, com um meio de accio-namento de corrente trifásica (2), constituido por um motor de corrente trifásica (6) e um conversor de corrente alter-nada-corrente contínua (4), podendo os terminais de ligação de corrente contínua (P,M) do conversor de corrente alter-nada-corrente contínua (4), ligar-se, através de um condensador (16) do circuito intermédio e de protecções (12), com uma bateria de tracção (10) e os seus terminais de corrente alternada (R,S,T), ligar-se, através de protecções (14) com o motor trifásico (6), gerando-se, em função de sinais (SFM) de um equipamento de gestão (30) do automóvel e de duas correntes de saída (iRW isw) medidas, do conversor de corrente alternada-corrente contínua, por meio de um comando (26), sinais de estado de comutação (S2) para o conversor de corrente alternada-corrente contínua, caracterizado por, por um lado um primeiro terminal de corrente alternada (R) e um terminal de corrente contínua (M) deste conversor de corrente alternada-corrente contínua (4), poderem ligar-se, através de protecções (34), com dois terminais de ligação de alimentação (42,44) e, por outro lado, terceiro terminal de corrente alternada (S) e um terminal de ligação de corrente contínua (P ou, respectivamente, M) deste conversor de corrente-alter-nada-corrente contínua poderem ligar-se, através de protecções (36), com os terminais de ligação (38,40) da bateria de tracção (10). - 7a - Dispositivo de acordo com a reivindi cação 6, caracterizado por uma alimentação monofásica estar ligada com os terminais de ligação de alimentação (42,44) a-través de um rectificador (48) ligado à rede. 13 8- Dispositivo de acordo com a reivindi cação 7, caracterizado por o rectificador (48) ligado à rede fazer parte integrante do dispositivo. - 9B - Dispositivo de acordo com as reivindicações 5 ou 6, caracterizado por se prever um microcomputador para a realização do processo. - 10- - Dispositivo de acordo com a reivindi cação 9, caracterizado por o microcomputador fazer parte integrante do comando (26). A requerente reivindica a prioridade do pedido PCT apresentado em 8 de Julho de 1991, sob o número PCT/DE91/00561. Lisboa, 07 de Julho de 1992.

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