PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO DE CARGA DE UN ELEMENTO DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA ELECTRICA, EN ESPECIAL UN ULTRACONDENSADOR.
Procedimiento de carga de un primer elemento de almacenamiento (1) de energía eléctrica,
en especial un ultracondensador (1), a partir de un segundo elemento de almacenamiento (2) de energía eléctrica, en especial una batería (2), presentando dicho primer elemento (1) una primera tensión continua de servicio nominal, y presentando dicho segundo elemento (2) una segunda tensión continua de servicio nominal inferior a dicha primera tensión, empleándose en este procedimiento un convertidor continua- continua reversible (3) dispuesto entre dichos elementos primero y segundo (1,2), caracterizado por el hecho de que:
- cuando la tensión de carga de dicho primer elemento (1) es inferior a dicha segunda tensión, se pone además en servicio un convertidor reductor (4) dispuesto entre dicho convertidor continua-continua (3) y dicho primer elemento (1), y se pone fuera de servicio a dicho convertidor continua-continua (3);
- cuando la tensión de carga de dicho primer elemento (1) es superior o igual a dicha segunda tensión, se pone fuera de servicio a dicho convertidor reductor (4), y se pone en servicio a dicho convertidor continua-continua (3)
Tipo: Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: W07051213FR.
Solicitante: VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR.
Nacionalidad solicitante: Francia.
Dirección: 2, RUE ANDRE BOULLE,94046 CRETEIL CEDEX.
Inventor/es: LEBOEUF,CEDRIC.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 23 de Diciembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H02J7/34C
- H02M3/158B
Clasificación PCT:
- H02M3/158 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02M APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE ALTERNA, DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA O DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE CONTINUA Y UTILIZADOS CON LAS REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA O SISTEMAS DE ALIMENTACION SIMILARES; TRANSFORMACION DE UNA POTENCIA DE ENTRADA EN CORRIENTE CONTINUA O ALTERNA EN UNA POTENCIA DE SALIDA DE CHOQUE; SU CONTROL O REGULACION (transformadores H01F; convertidores dinamoeléctricos H02K 47/00; control de los transformadores, reactancias o bobinas de choque, control o regulación de motores, generadores eléctricos o convertidores dinamoeléctricos H02P). › H02M 3/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente continua en una potencia de salida en corriente continua. › comprendiendo varios dispositivos semiconductores como dispositivos de control final para una carga única.
Fragmento de la descripción:
Procedimiento y dispositivo de carga de un elemento de almacenamiento de energía eléctrica, en especial un ultracondensador.
Sector técnico de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento de carga de un elemento de almacenamiento de energía eléctrica, tal como un ultracondensador, a partir de otro elemento de almacenamiento, tal como una batería.
La invención también se refiere a un dispositivo de carga adaptado para la realización del procedimiento, en especial en una red de alimentación con energía eléctrica bi-tensión de vehículo automóvil.
Antecedentes tecnológicos de la invención
En una red de este tipo, los dos elementos de almacenamiento tienen unas tensiones continuas de servicio nominales diferentes, y es necesario un convertidor continua-continua (más conocido por el experto en la materia por el vocablo inglés de convertidor DC-DC, siendo DC las iniciales de "direct current" o "corriente continua") reversible dispuesto entre los dos elementos para realizar las transferencias de energía de uno a otro.
Un problema conocido es el de la carga inicial del elemento de almacenamiento que tiene la tensión nominal más elevada por el otro elemento hasta la tensión nominal de este último.
El problema técnico es especialmente difícil de resolver cuando se trata de cargar un ultracondensador de varias decenas, incluso centenas, de Faradios, por ejemplo a partir de una batería de 12 V, puesto que puede producirse una solicitación de corriente inicial muy elevada.
En general, esta corriente no puede ser suministrada por el propio convertidor DC-DC. Por lo tanto, se utiliza un dispositivo adicional para realizar la carga inicial.
El dispositivo más simple conocido está constituido por una resistencia intercalada entre los dos elementos de almacenamiento.
Esta solución simple presenta varios inconvenientes:
- - si la resistencia es de valor óhmico reducido, con el fin de reducir la duración de la carga inicial, entonces la corriente de carga es elevada, lo cual conduce a utilizar una resistencia de alta potencia y de coste elevado;
- - si se escoge una resistencia de valor aceptable en términos de potencia disipada, por ejemplo 1 ohmio, entonces la duración de carga se vuelve prohibitiva (más de 15 min);
- - una resistencia, conectada permanentemente entre los elementos, conduce a una corriente de fuga elevada, y a una descarga de un elemento hacía el otro.
En la solicitud de patente FR2838572, la empresa VALEO divulga una solución que elimina los inconvenientes precitados.
Esta solución consiste, en el transcurso de la carga inicial del primer elemento de mayor tensión nominal, en poner en servicio un convertidor reductor entre la salida del segundo elemento de tensión nominal más reducida y la entrada del convertidor DC-DC, hasta el momento en que la tensión en los bornes del primer elemento es igual a la tensión nominal del segundo.
El convertidor reductor (más conocido por el experto en la materia por el vocablo inglés de "buck converter") está constituido esencialmente por un interruptor estático, por ejemplo un transistor de tipo "MOSFET", cuya duración de cierre con respecto a la duración de abertura permite controlar la corriente de carga media.
Al funcionar el transistor en conmutación, se elimina el inconveniente de la elevada disipación térmica de la resistencia.
Sin embargo esta solución sigue presentando el inconveniente de reducir el rendimiento global de transferencia de energía entre los elementos de almacenamiento.
Efectivamente, el convertidor reductor se utiliza únicamente en la fase inicial de la carga del primer elemento a partir del segundo elemento, cuando la tensión en los bornes del primer elemento es inferior a la tensión nominal del segundo elemento.
En el caso de una aplicación al automóvil, donde el primer elemento es un ultracondensador, y el segundo elemento es una batería, esta situación es poco frecuente.
La mayor parte del tiempo, la tensión en los bornes del ultracondensador es superior a la de la batería, y el interruptor estático del convertidor reductor constituye una carga resistiva adicional en serie que penaliza el rendimiento del sistema, incluso si este interruptor está permanentemente cerrado.
Además, el filtro colocado aguas arriba del convertidor reductor, y destinado a filtrar a la vez las corrientes conmutadas por este convertidor reductor y por el convertidor DC-DC, debe filtrar el recorte debido a este convertidor de tipo Buck, lo cual implica un sobredimensionamiento de este filtro.
El documento US 2006 0028778 muestra un dispositivo de carga según el preámbulo de la reivindicación 6.
Descripción general de la invención
Por lo tanto, la presente invención se propone mejorar los procesos de carga conocidos de un primer elemento de almacenamiento de energía eléctrica, en especial un ultracondensador, a partir de un segundo elemento de almacenamiento de energía eléctrica, en especial una batería.
Al presentar el primer elemento una primera tensión continua de servicio nominal, y el segundo elemento una segunda tensión continua de servicio nominal inferior a la primera tensión, el procedimiento de carga según la invención es del tipo de los que emplean, de manera ya conocida, un convertidor continua-continua reversible dispuesto entre los elementos primero y segundo.
El procedimiento según la invención es destacable por el hecho de que:
- - cuando la tensión de carga del primer elemento es inferior a la segunda tensión, se pone además en servicio un convertidor reductor dispuesto entre el convertidor continua-continua y el primer elemento, y se pone fuera de servicio el convertidor continua-continua;
- - cuando la tensión de carga del primer elemento es superior o igual a la segunda tensión, se pone fuera de servicio el convertidor reductor, y se pone en servicio el convertidor continua-continua.
Preferentemente, cuando el convertidor reductor se pone en servicio, se controla la corriente de carga del primer elemento mediante un shunt, y haciendo variar la relación cíclica de una señal de control de un primer interruptor estático dispuesto entre los bornes de entrada y de salida del convertidor reductor.
Preferentemente, cuando el convertidor continua-continua está en servicio, se controla la corriente de carga del primer elemento controlando alternativamente la abertura y el cierre de unos interruptores estáticos primero y segundo, dispuestos en el convertidor continua-continua y que forman un puente divisor en paralelo en los bornes de entrada del convertidor reductor, estando el punto medio del puente conectado a una primera inductancia en serie con el shunt.
Preferentemente, se pone fuera de servicio el convertidor continua-continua cerrando el segundo interruptor y abriendo el tercer interruptor.
Muy ventajosamente, la descarga de dicho primer elemento se evita abriendo los interruptores primero y segundo.
La invención también se refiere a un dispositivo de carga de un primer elemento de almacenamiento de energía eléctrica, en especial un ultracondensador, a partir de un segundo elemento de almacenamiento de energía eléctrica, en especial una batería, adaptado para la realización del procedimiento descrito más arriba.
Al presentar el primer elemento una primera tensión continua de servicio nominal, y el segundo elemento una segunda tensión continua de servicio nominal inferior a dicha primera tensión, el dispositivo de carga según la invención es del tipo de los que comprende, de manera ya de por sí conocida, un convertidor continua- continua reversible dispuesto entre los elementos primero y segundo.
El dispositivo de carga según la invención es destacable por el hecho de que comprende además un convertidor reductor dispuesto entre el convertidor continua-continua y el primer elemento y unos medios de conmutación y de pilotaje para, cuando la tensión de carga del primer elemento es inferior a la segunda tensión, poner en servicio el convertidor reductor y poner fuera de servicio el convertidor continua-continua y, cuando la tensión de carga del primer elemento es superior o igual a la segunda tensión, poner fuera de servicio el convertidor reductor y poner...
Reivindicaciones:
1. Procedimiento de carga de un primer elemento de almacenamiento (1) de energía eléctrica, en especial un ultracondensador (1), a partir de un segundo elemento de almacenamiento (2) de energía eléctrica, en especial una batería (2), presentando dicho primer elemento (1) una primera tensión continua de servicio nominal, y presentando dicho segundo elemento (2) una segunda tensión continua de servicio nominal inferior a dicha primera tensión, empleándose en este procedimiento un convertidor continua- continua reversible (3) dispuesto entre dichos elementos primero y segundo (1,2), caracterizado por el hecho de que:
- - cuando la tensión de carga de dicho primer elemento (1) es inferior a dicha segunda tensión, se pone además en servicio un convertidor reductor (4) dispuesto entre dicho convertidor continua-continua (3) y dicho primer elemento (1), y se pone fuera de servicio a dicho convertidor continua-continua (3);
- - cuando la tensión de carga de dicho primer elemento (1) es superior o igual a dicha segunda tensión, se pone fuera de servicio a dicho convertidor reductor (4), y se pone en servicio a dicho convertidor continua-continua (3).
2. Procedimiento de carga según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que, cuando dicho convertidor reductor (4) se pone en servicio, se controla la corriente de carga de dicho primer elemento (1) mediante un shunt (14) y haciendo variar la relación cíclica de una señal de control de un primer interruptor estático (9) dispuesto entre los bornes de entrada y de salida de dicho convertidor reductor (4).
3. Procedimiento de carga según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que, cuando dicho convertidor continua-continua (3) está en servicio, se controla la corriente de carga de dicho primer elemento (1) controlando alternativamente la abertura y el cierre de unos interruptores estáticos primero y segundo (11,12), dispuestos en dicho convertidor continua-continua (3) y que forman un puente divisor en paralelo en dichos bornes de entrada de dicho convertidor reductor (4), estando el punto medio de dicho puente conectado a una primera inductancia (13) en serie con dicho shunt (14).
4. Procedimiento de carga según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que se pone fuera de servicio a dicho convertidor continua-continua (3) cerrando dicho segundo interruptor (11) y abriendo dicho tercer interruptor (12).
5. Procedimiento de carga según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que la descarga de dicho primer elemento (1) se evita abriendo dichos interruptores primero, segundo y tercero (9,11,12).
6. Dispositivo de carga de un primer elemento de almacenamiento (1) de energía eléctrica, en especial un ultracondensador (1), a partir de un segundo elemento de almacenamiento (2) de energía eléctrica, en especial una batería (2), presentando dicho primer elemento (1) una primera tensión continua de servicio nominal, y presentando dicho segundo elemento (2) una segunda tensión continua de servicio nominal inferior a dicha primera tensión, comprendiendo este dispositivo un convertidor continua- continua reversible (3) dispuesto entre dichos elementos primero y segundo (1,2), y que comprende además un convertidor reductor (4) dispuesto entre dicho convertidor continua-continua (3) y dicho primer elemento (1) y medios de conmutación (11, 12, 9) y de pilotaje (23) caracterizado por el hecho de que estos medios de conmutación y de pilotaje (23), cuando la tensión de carga de dicho primer elemento (1) es inferior a dicha segunda tensión, ponen en servicio a dicho convertidor reductor (4) y fuera de servicio a dicho convertidor continua-continua (3) y, cuando la tensión de carga de dicho primer elemento (1) es superior o igual a dicha segunda tensión, ponen fuera de servicio a dicho convertidor reductor (4) y ponen en servicio a dicho convertidor continua-continua (3).
7. Dispositivo de carga según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que dicho convertidor reductor (4) está constituido por un primer interruptor estático (9) dispuesto entre los bornes de entrada y de salida de dicho convertidor reductor (4), y por un diodo (10) dispuesto en paralelo en los bornes de salida de dicho convertidor reductor (4).
8. Dispositivo de carga según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que dicho convertidor continua-continua (3) está constituido por unos interruptores estáticos primero y segundo (11,12) que forman un puente divisor en paralelo en dichos bornes de entrada de dicho convertidor reductor (4), estando el punto medio de dicho puente conectado a una primera inductancia (13) en serie con un shunt (14), y por una primera capacidad (15) en paralelo sobre dicho puente divisor.
9. Dispositivo de carga según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que comprende además un primer filtro (7) dispuesto entre dicho segundo elemento (2) y dicho convertidor continua-continua (3), y un segundo filtro (8) dispuesto entre dicho convertidor reductor (4) y dicho primer elemento (1).
10. Dispositivo de carga según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que dicho primer filtro (7) es un filtro en pi constituido por una segunda inductancia (16), y unas capacidades segunda y tercera (17,18).
11. Dispositivo de carga según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que dicho segundo filtro (8) es un filtro pasa-bajos constituido por una tercera inductancia (19), y una cuarta capacidad (20).
12. Dispositivo de carga según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que dichos filtros primero y segundo (7, 8) comprenden cada uno un fusible (22, 21) en serie con dichas inductancias segunda y tercera (16, 19).
13. Dispositivo de carga según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, capaz de equipar a un vehículo automóvil, caracterizado por el hecho de que comprende medios controlados (11, 12, 23) para cargar con una corriente reducida a dicho primer elemento de almacenamiento (1) a partir de dicho segundo elemento de almacenamiento (2), en especial una batería en mal estado de carga, con la finalidad de autorizar un arranque de un motor térmico del vehículo incluso para partir de una batería (2) en mal estado de carga.
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