Método y dispositivo de conmutación de recursos energéticos para sistemas eléctricos autónomos.

La presente invención concierne en general a un dispositivo que integra un conjunto de acumuladores de energía capaces de conmutar sus conexiones para ofrecer las combinaciones de entradas y salidas de energía que permitan maximizar su rendimiento.

Método y dispositivo de conmutación de recursos energéticos para sistemas eléctricos autónomos.

Sector de la técnica

La presente invención concierne en general a dispositivos eléctricos para la recepción, almacenamiento y suministro de energía eléctrica en sistemas autónomos o energéticamente independientes. En particular es aplicable a una conmutación de elementos almacenadores (baterías, unltracondensadores, volantes de inercia fíywheeís-, etc.) con configuraciones cambiantes en combinaciones serie, paralelo y mixtas, con el objeto de flexibilizar y mejorar las disponibilidades energéticas. También comprende una conmutación de elementos generadores de energía como por ejemplo paneles fotovoltaicos dónde es posible aumentar la eficiencia del conjunto en función de la variabilidad de la radiación solar relativa en casos, por ejemplo, de sombreado parcial.

Estado de la técnica anterior

La eficiencia de sistemas eléctricos puede aumentar mediante una gestión energética adecuada. En sistemas energéticos autónomos como los usados en el transporte o algunos sistemas aislados de las redes de distribución eléctrica, ese ahorro se traduce en un incremento de prestaciones.

Hasta la fecha, la mayoría de sistemas autónomos de transporte como camiones, autobuses, coches o motocicletas se impulsan a través de un motor de combustión interna (ICM) que contamina, calienta el planeta y disminuye las reservas de petróleo. La alternativa actual de vehículos eléctricos (VE) está sujeta a la limitación de autonomía impuesta por las baterías. X.Yan y DPatterson en su artículo "Novel power management for high performance and cosí reduction in an electric vehicle" de la revista Renewable Energy, vol, 22, pág. 177-183 de 2001, proponían que en los sistemas energéticamente autónomos, pudiera existir un control eficiente de las fuentes de energía disponibles en cada momento.

La red de distribución eléctrica alimenta motores industriales o motores de trenes, por citar un par de ejemplos, mediante convertidores de potencia a través de una tensión nominal constante. La estrategia de alimentación constante, aunque simple, no es necesariamente la más eficiente.

Por ejemplo, un motor eléctrico para arrancar requiere una corriente hasta siete 15 veces superior a la nominal, aunque dentro de este proceso, su tensión de alimentación pueda ser inferior a la nominal. El habitual suministro de una tensión de alimentación constante conlleva un consumo extra de energía (hasta de un 700% durante el transitorio de arranque) .

En las instalaciones fotovoltaicas construidas a partir de cableado rígido mediante el paralelo de series de paneles, el efecto de un sombreado parcial sobre alguno de los paneles causa una disminución de la generación de toda la serie de paneles, contribuyendo a disminuir la eficiencia de toda la matriz.

Breve explicación de la invención La presente invención consiste en el uso de una tensión de alimentación variable para alimentar convertidores de potencia que alimentan el motor de tracción de vehículos eléctricos. Con ello, se aumenta la eficiencia de los sistemas actuales.

Por ejemplo, es posible arrancar un motor eléctrico suministrando un pico de corriente, del orden de siete veces su valor nominal, con una tensión que puede ser inferior a la nominal.

La combinación adecuada de fuentes de energía mediante configuraciones serie paralelo de acumuladores o baterías producirá unos niveles cercanos (y por tanto energéticamente óptimos de aprovechamiento) en tensión y corriente a las necesidades de alimentación del motor durante los diversos ciclos de funcionamiento.

Para determinar las combinaciones más adecuadas en cada momento, el sistema comprende un elemento de control y una comunicación con el exterior.

Un bus tensión de alimentación variable posee algunas ventajas y algunos inconvenientes. Como ventaja principal, cabe mencionar, la reducción de la capacidad de las baterías (espacio, peso y coste) o con las mismas baterías el incremento de autonomía. Adicionalmente, una tensión de alimentación variable puede recuperar más energía de la frenada que una tensión de alimentación constante. Como inconveniente se puede citar la necesidad de un mayor control de las posibles combinaciones.

Breve descripción de la figura Para la mejor comprensión de otros objetos o méritos de la invención se acompaña una figura relativa a la constitución básica del dispositivo objeto de la misma. Este diagrama de bloques del dispositivo debe tomarse a título ilustrativo y no limitativo.

Descripción detallada del objeto de la invención

El dispositivo de conmutación de recursos energéticos para sistemas eléctricos autónomos que integran unos acumuladores 2, de la invención, está caracterizado por comprender:

- un controlador 3) para cada acumulador que le proporciona los parámetros instantáneos e históricos de su funcionamiento y estado;

- un sistema de comunicaciones 7;

- unas entradas y salidas principal 4 y secundaria 5 de energía para dicho sistema eléctrico autónomo;

- una matriz de conmutación 1;

- un módulo de control principal 6; y

- unas líneas de control C3 que enlazan el control principal con la matriz de conmutación 1.

La matriz de conmutación 1 es configurable en topología por dicho módulo de control principal 6, el cual opera con información de los controladores 3 de los acumuladores 2 y gestiona la operativa de dichos sistemas de control 3 de cada acumulador 2, proporcionando una topología de conexionado adecuada a las necesidades del sistema en función de los estados de los acumuladores y de una petición de servicio recibida por un canal de comunicación.

El dispositivo comprende además unas líneas de comunicación desde el exterior C1 destinadas al envío de consignas y órdenes y para una lectura del estado de variables e históricos de los acumuladores 2 y unas líneas de comunicaciones internas C2 entre el módulo de control principal 6 y los controles 3 de cada uno de los acumuladores 2.

Para demostrar la viabilidad y alcance de la presente invención, se montó un motor asíncrono trifásico de 230 V de 1, 5 CV de potencia nominal con una velocidad nominal de 1500 rpm. La variabilidad de la tensión de alimentación ser alcanzó a través de dos grupos (tensión positiva y negativa) de ocho acumuladores o baterías combinadas adecuadamente en diversas combinaciones serie, paralelo o mixtas, según necesidades de incremento de actuación del motor en función del régimen de revoluciones de trabajo, carga del motor y ciclo de funcionamiento.

Para acelerar un motor parado hasta su velocidad nominal el convertidor de potencia necesita una tensión creciente en función de la velocidad del motor. Su realización mediante dieciséis acumuladores o baterías de 12 V de tensión nominal y 17 Ah de capacidad consiguen una tensión creciente con incrementos discretos de 12 V. La evolución de la conmutación de baterías depende de los requisitos del sistema. Finalmente, una adecuada gestión del sistema de conmutación facilita la reversión de energía hacia los acumuladores durante los ciclos de frenado del motor.

Cada acumulador dispone de un sistema de control que le proporciona los parámetros instantáneos e históricos de su funcionamiento y estado. Asimismo, se dispone de un sistema de control global que determina la topología de conexión más adecuada en función de los estados de los acumuladores y de la petición de servicio recibida por el canal de comunicación.

Las conmutaciones entre estados pasan a través de una secuencia de cambios determinada por el módulo de control para evitar cortocircuitos. Esta secuencia de cambios se realiza en un tiempo mínimo.

A partir de las comunicaciones se configura la matriz. Las comunicaciones proporcionan asimismo información del estado de los diversos acumuladores.

1. Dispositivo de conmutación de recursos energéticos para sistemas eléctricos autónomos que integran unos acumuladores (2) , caracterizado por comprender:

- un controlador (3) para cada acumulador que le proporciona los parámetros instantáneos e históricos de su funcionamiento y estado;

- un sistema de comunicaciones (7) ;

- unas entradas y salidas principal (4) y secundaria (5) de energía para dicho sistema eléctrico autónomo;

- una matriz de conmutación (1) ;

- un módulo de control principal (6) ; y

- unas líneas de control (C3) que enlazan el control principal con la matriz de conmutación (1) ;

siendo la matriz de conmutación (1) configurable en topología por dicho módulo de control principal (6) , el cual opera con información de los controladores (3) de los acumuladores (2) y gestiona la operativa de dichos sistemas de control (3) de cada acumulador (2) , proporcionando una topología de conexionado adecuada a las necesidades del sistema en función de los estados de los acumuladores y de una petición de servicio recibida por un canal de comunicación.

2. Dispositivo de conmutación, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende unas líneas de comunicación desde el exterior (C1) destinadas al envío de consignas y órdenes y para una lectura del estado de variables e históricos de los acumuladores (2) y unas líneas de comunicaciones internas (C2) entre el módulo de control principal (6) y los controles (3) de cada uno de los acumuladores (2) .

3. Dispositivo de conmutación, según la reivindicación 1, caracterizado porque una de dichas entradas secundarias (5) proporciona un acceso directo a un acumulador seleccionado, para tareas de mantenimiento.

4. Método de conmutación de recursos energéticos para sistemas eléctricos autónomos que integran unos acumuladores (2) , un control (3) para cada acumulador y unas entradas y salidas principal (4) y secundaria (5) de energía para el sistema eléctrico autónomo, caracterizado porque comprende utilizar una matriz de conmutación (1) cuya topología es configurable desde un módulo de control (6) que opera con información de los controladores (3) asociados a los acumuladores (2) permitiendo cualquier combinación de conexiones serie y paralelo de dichos acumuladores (2) .

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 200902012

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 13.10.2009

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : H02J3/04 (2006.01) H02J3/38 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 200902012

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H02J Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200902012

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 01.03.2012

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200902012

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

- Reivindicación 1

El documento D01 es el documento del estado de la técnica más próxima a la invención reivindicada. En él se describe un dispositivo de conmutación de recursos energéticos para un sistema eléctrico autónomo, en concreto, de una aeronave.

El dispositivo comprende unos módulos de potencia (párrafo 0065) , cada uno de ellos asociados a un controlador (control board, párrafo 0095) . También cuenta con un sistema de comunicaciones (network connection, párrafo 0090) , así como con una matriz de conmutación (switching matrix 42, párrafo 0060) , un módulo de control principal (supervisor 52, párrafo 0072) y líneas de control que enlazan el control principal con la matriz de conmutación (Figuras 3 y 4) . Por último, existen también líneas de entrada y salida principal y secundaria (párrafos 0089 y 0094) .

Por tanto, el documento D01 afecta a la novedad de la reivindicación 1 (art. 6 LP) .

- Reivindicación 2

El documento D01 cuenta con líneas de comunicaciones internas (network connection, párrafo 0090) entre el módulo de control principal y cada uno de los módulos de potencia pero no indica que el dispositivo descrito tenga líneas de comunicación desde el exterior.

Sin embargo, existen otros documentos, como el documento D02 (párrafo 0043) , referidos también a dispositivos de conmutación de recursos energéticos, que cuentan con líneas de comunicación desde el exterior.

Un experto en la materia, a la vista del documento D02, puede incluir estas líneas de comunicación en el dispositivo del documento D01 obteniendo la invención reivindicada.

Por tanto, la combinación de los documentos D01 y D02 afecta a la actividad inventiva de la reivindicación 2 (art. 8 LP) .

- Reivindicación 3

El documento D01 describe en el párrafo 0089 unas entradas secundarias que proporcionan un acceso directo al módulo de potencia seleccionado.

Por tanto, el documento D01 afecta a la novedad de la reivindicación 3 (art. 6 LP) .

- Reivindicación 4

El documento D01 es el documento del estado de la técnica más próxima a la invención reivindicada. En él se describe un dispositivo de conmutación de recursos energéticos en el que se utiliza una matriz de conmutación, con topología configurable desde el módulo de control, para conectar los módulos de potencia en diferentes configuraciones según la información recibida desde el sistema.

Por tanto, el documento D01 afecta a la novedad de la reivindicación 1 (art. 6 LP) .

Informe del Estado de la Técnica Página 4/4