Dispositivo de almacenamiento de carga que usa condensadores y su método de control.

Un sistema de almacenamiento de energía eléctrica (10) que usa condensadores,

en que el sistema comprende:un medio de almacenamiento de carga con una configuración de circuito en la que n bloques de circuitoestán conectados en serie, donde n es un número natural igual o mayor que dos, incluyendo cada uno delos n bloques de circuito una pluralidad de condensadores (13);

un medio de conversión (18) para convertir una tensión de salida de CC procedente del medio dealmacenamiento de energía en una tensión de salida de CA y suministrar la tensión de CA a una carga deconsumo o para convertir la tensión de salida de CC procedente del medio de almacenamiento de energíaen una tensión de salida de CC predeterminada y suministrar la tensión de CC a una carga de consumo;un medio de conmutación serie-paralelo (15) para conmutar, entre paralelo y serie, una conexión de lapluralidad de condensadores (13) en cada bloque de circuito del medio de almacenamiento de energía;una pluralidad de medios de prevención de sobrecarga (22), cada uno de ellos conectado en paralelo acada uno de la pluralidad de condensadores (13) en el medio de almacenamiento de energía, y en que elcorrespondiente condensador es descargado de forma forzada cuando una tensión de terminal delcondensador alcanza un valor de tensión soportable;

un medio de detección de tensión inter-terminales (16) para detectar una tensión inter-terminales entre lapluralidad de condensadores (13) de cada bloque de circuito del medio de almacenamiento de energía;un medio de determinación de tensión de bloque (19) para determinar una tensión de bloque, para cadabloque de circuito, sobre la base de la tensión inter-terminales de cada condensador detectada por el mediode detección de tensión inter-terminales (16), en que la tensión de bloque es una tensión del bloque decircuito; y

un medio de control (17) para detectar la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía ycontrola el medio de conmutación serie-paralelo (15) de acuerdo con un valor de la tensión detectada, enqueel medio de control (17) esta adaptado para realizar, cuando el medio de almacenamiento de energía estásiendo cargado:

Dispositivo de almacenamiento de carga que usa condensadores y su método de control

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere a un sistema de almacenamiento de energía eléctrica que usa condensadores tales 5 como condensadores eléctricos de doble capa (EDLC, del inglés “Electric Double Layer Capacitor”) , y un método de control de un sistema de almacenamiento de energía eléctrica de este tipo.

ANTECEDENTES TÉCNICOS

Recientemente, condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) han atraído atención como nuevo dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica para ocupar un papel de baterías secundarias debido a características tales como una vida útil de muchos ciclos y un rango de temperaturas de operación amplio. Sin embargo, los condensadores varían en tensión de salida en proporción a la carga eléctrica almacenada, y la tensión de salida es baja cuando se usa un único condensador. De acuerdo con ello, es habitual usar tales condensadores conectando más de un condensador en serie o en serie-paralelo.

Un método conocido con el fin de suministrar una tensión estable a una carga de consumo cuando los condensadores son conectados en serie o en serie-paralelo consiste en que una pluralidad de condensadores EDLC son conmutados entre serie y serie-paralelo usando conmutadores complejos.

En un sistema de almacenamiento de energía eléctrica constituido por una pluralidad de condensadores EDLC conectados en serie-paralelo, con el fin de mejorar la eficiencia de carga/descarga, se usan habitualmente al mismo tiempo dos técnicas de control denominadas “conmutación de bancos” y “circuito de igualación de tensiones”. En lo que sigue se explican resumidamente estas técnicas de control, y se describen problemas que surgen cuando estas técnicas son usadas conjuntamente.

[Conmutación de bancos]

La técnica convencionalmente propuesta de “conmutación de bancos” (se hace referencia por ejemplo a la patente japonesa públicamente disponible nº 11-215695) es controlar una pluralidad de conmutadores que están dispuestos junto con una pluralidad de condensadores EDLC en múltiples etapas como se muestra en la figura 1A, conmutando con ello secuencialmente estados de conexión de condensadores EDLC como se muestra en las figuras 1B, 1C y 1D. En la siguiente descripción, un grupo de condensadores que constituyen una etapa es denominado “bloque”. Además, cada condensador ilustrado en los dibujos puede estar constituido por más de un condensador conectado en serie-paralelo.

En un proceso de descarga, por ejemplo, de un sistema de almacenamiento de energía eléctrica convencional como se muestra en la figura 1, cada vez que una tensión de salida del sistema de almacenamiento de energía eléctrica cae y se acerca a una tensión de entrada mínima de un inversor al reducirse la tensión de cada condensador (EDLC) debido a la descarga, una conexión entre condensadores EDLC en un bloque en el que los condensadores EDLC están conectados en paralelo es conmutada a una conexión en serie secuencialmente bloque a bloque en el

orden de las figuras 1A, 1B, y 1C. Mediante esto, la tensión de salida del sistema de almacenamiento de energía eléctrica es controlada de modo que caiga dentro de un rango de entrada del inversor, y el sistema de almacenamiento de energía eléctrica proporciona de salida la energía eléctrica hasta que todos los condensadores EDLC están finalmente conectados en serie como se muestra en la figura 1D. Obsérvese que los condensadores EDLC de un bloque en el que los condensadores EDLC han sido conmutados a la conexión en serie no son conmutados de vuelta a la conexión en paralelo.

Además, en un proceso de carga, cada vez que la tensión de salida del sistema de almacenamiento de energía eléctrica se eleva y se acerca a una tensión de entrada máxima de un inversor cuando la tensión de cada condensador (EDLC) se incrementa, la conexión entre condensadores EDLC en un bloque en el que los condensadores EDLC están conectados en serie es conmutada a la conexión en paralelo secuencialmente bloque a 45 bloque en un orden inverso al orden en el proceso de descarga. Obsérvese que los condensadores EDLC de un bloque en el que los condensadores EDLC han sido conmutados a la conexión en paralelo no son conmutados de vuelta a la conexión en serie.

Aunque la técnica de “conmutación de bancos” convencional anteriormente descrita es efectiva para mejorar las características de carga/descarga o de profundidad de descarga, se han observado los siguientes problemas.

(1) Variación en tensiones inter-terminales entre bloques En el proceso de carga, por ejemplo, debido a que la cantidad de carga acumulada en cada condensador EDLC en un bloque en el que los condensadores EDLC están conectados en paralelo es la mitad de la cantidad de carga acumulada en cada condensador EDLC de un bloque con condensadores EDLC conectados en serie, cuando los condensadores EDLC conectados en serie en un bloque en el que los condensadores EDLC son conmutados a una conexión en paralelo, se provoca una variación en la tensión inter-terminales de condensador EDLC entre los los bloques. Cuando se provoca una variación en la tensión inter-terminales de condensador EDLC, los condensadores EDLC en el bloque en el que los condensadores EDLC están conectados en serie son sobrecargados salvo que las tensiones inter-terminales de los condensadores EDLC en el bloque en el que los condensadores EDLC están conectados en serie sean mantenidas en un valor igual o menor que la tensión soportable hasta que los condensadores EDLC en el bloque con condensadores EDLC conmutados a una conexión en paralelo están plenamente cargados.

(2) Diferencia en características de proceso de carga debido a una diferencia en los números de condensadores 10 EDLC que constituyen bloques Generalmente, el sistema debe ser construido de modo que el número de condensadores EDLC que constituyen cada bloque sea idéntico. Sin embargo, en algunos casos, el número de condensadores EDLC en cada bloque es inevitablemente diferente. En un caso así, en el proceso de carga, cuando la conexión de los condensadores EDLC de un bloque con el mayor número de condensadores EDLC es conmutada de serie a paralelo, la tensión de salida Vt del sistema de almacenamiento de energía eléctrica se reduce extremadamente y puede requerirse entonces una gran cantidad de tiempo hasta que los condensadores EDLC que han sido conmutados a paralelo estén cargados y se produzca la conmutación subsiguiente. En el peor caso, la tensión de salida Vt del sistema de almacenamiento de energía eléctrica puede caer por debajo del rango de tensión de entrada del inversor.

Además, incluso si la tensión de salida Vt del sistema de almacenamiento de energía eléctrica no cae por debajo del

rango de tensión de entrada del inversor, las tensiones inter-terminales de condensador EDLC de los bloques se vuelven muy variadas, y en consecuencia, las tensiones de los condensadores EDLC que han sido plenamente cargados pueden exceder la tensión soportable al avanzar el proceso de carga, causando con ello una ruptura.

(3) Corriente de flujo lateral

Como se muestra en la figura 2, en un proceso de carga, cuando la conexión de los condensadores EDLC en un bloque es conmutada desde una conexión en serie como se muestra en la figura 2A a una conexión en paralelo como se muestra en la figura 2B, si hay una variación entre la tensión inter-terminales V1 de un condensador (EDLC) C1 y una tensión inter-terminales V2 de un condensador (EDLC) C2, se genera una corriente de flujo lateral. Por lo tanto, en un caso en que un conmutador de semiconductores es usado como el conmutador de la figura 2, la corriente de flujo lateral generada es expresada como (V2 - V1) / R [A], donde una resistencia en conducción (ON

resistance) del conmutador de semiconductores es R [O], y esto podría destruir el conmutador de semiconductores.

Para evitar que se genera la corriente de flujo lateral, es necesario suprimir la variación en las tensiones interterminales de los condensadores EDLC que están conectados en paralelo.

Con los problemas anteriormente descritos, es difícil construir un sistema de almacenamiento de energía eléctrica usando sólo “conmutación de bancos”. Sin embargo, estos problemas pueden evitarse tomando las siguientes medidas.

(1) Añadir un circuito de control que evita que la tensión inter-terminales de los condensadores EDLC exceda la tensión soportable.

(2) Añadir un circuito de control que suprime una variación en tensión inter-terminales de los condensadores EDLC en... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de almacenamiento de energía eléctrica (10) que usa condensadores, en que el sistema comprende:

un medio de almacenamiento de carga con una configuración de circuito en la que n bloques de circuito 5 están conectados en serie, donde n es un número natural igual o mayor que dos, incluyendo cada uno de los n bloques de circuito una pluralidad de condensadores (13) ;

un medio de conversión (18) para convertir una tensión de salida de CC procedente del medio de almacenamiento de energía en una tensión de salida de CA y suministrar la tensión de CA a una carga de consumo o para convertir la tensión de salida de CC procedente del medio de almacenamiento de energía en una tensión de salida de CC predeterminada y suministrar la tensión de CC a una carga de consumo;

un medio de conmutación serie-paralelo (15) para conmutar, entre paralelo y serie, una conexión de la pluralidad de condensadores (13) en cada bloque de circuito del medio de almacenamiento de energía;

una pluralidad de medios de prevención de sobrecarga (22) , cada uno de ellos conectado en paralelo a cada uno de la pluralidad de condensadores (13) en el medio de almacenamiento de energía, y en que el

correspondiente condensador es descargado de forma forzada cuando una tensión de terminal del condensador alcanza un valor de tensión soportable;

un medio de detección de tensión inter-terminales (16) para detectar una tensión inter-terminales entre la pluralidad de condensadores (13) de cada bloque de circuito del medio de almacenamiento de energía;

un medio de determinación de tensión de bloque (19) para determinar una tensión de bloque, para cada bloque de circuito, sobre la base de la tensión inter-terminales de cada condensador detectada por el medio de detección de tensión inter-terminales (16) , en que la tensión de bloque es una tensión del bloque de circuito; y

un medio de control (17) para detectar la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía y controla el medio de conmutación serie-paralelo (15) de acuerdo con un valor de la tensión detectada, en que el medio de control (17) esta adaptado para realizar, cuando el medio de almacenamiento de energía está siendo cargado:

un primer proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) de modo que la pluralidad de condensadores (13) de cada bloque de circuito del medio de almacenamiento de energía son conectados en serie al comienzo del proceso de carga del medio de almacenamiento de energía;

un segundo proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) , cuando la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía alcanza una tensión de entrada máxima del medio de conversión (18) , de modo que la conexión de la pluralidad de condensadores (13) de cada uno de j bloques de circuito en el orden descendente de tensiones de bloque determinadas por el medio de determinación de tensión de bloque (19) es conmutada a la conexión en paralelo, en que j es un número natural hasta n que indica el número de veces que una tensión de entrada alcanza la tensión de entrada máxima durante un proceso de carga; y

un tercer proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) , hasta que la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía alcanza la tensión de entrada máxima del medio de conversión (18) , de modo que la conexión de la pluralidad de condensadores (13) de cada uno de j bloques de circuito en el orden descendente de tensiones de bloque determinadas por el medio de determinación de tensión de bloque (19) es conmutada a la conexión en paralelo, y

el medio de control (17) está adaptado además para realizar, cuando el medio de almacenamiento 45 de energía está siendo descargado:

un cuarto proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) de modo que la pluralidad de condensadores (13) de cada bloque de circuito del medio de almacenamiento de energía son conectados en paralelo al comienzo del proceso de descarga del medio de almacenamiento de energía;

un quinto proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) , cuando la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía alcanza una tensión de entrada mínima del medio de conversión (18) , de modo que la conexión de la pluralidad de condensadores (13) de cada uno de k bloques de circuito en el orden descendente de tensiones de bloque determinadas por el medio de determinación de tensión de bloque (19) es conmutada a la conexión en serie, en que k es un número natural hasta n que indica el número de veces que una tensión de entrada alcanza la tensión de entrada mínima durante un proceso de descarga; y

un sexto proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) , hasta que la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía alcanza la tensión de entrada mínima del medio de conversión (18) , de modo que la conexión de la pluralidad de 10 condensadores (13) de cada uno de k bloques de circuito en el orden descendente de tensiones de bloque determinadas por el medio de determinación de tensión de bloque (19) es conmutada a la conexión en serie.

2. El sistema de almacenamiento de energía eléctrica que usa un condensador de acuerdo con la reivindicación 1,

en que el medio de control (17) está adaptado para realizar el tercer proceso y el sexto proceso cada vez que pasa 15 un intervalo predeterminado.

3. El sistema de almacenamiento de energía eléctrica que usa un condensador de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en que el medio de control (17) está adaptado para seleccionar el control del proceso de carga o el control del proceso de descarga del medio de almacenamiento de energía sobre la base de una comparación entre una intensidad de corriente de entrada al medio de almacenamiento de energía y una intensidad de corriente de salida procedente del medio de almacenamiento de energía.

4. El sistema de almacenamiento de energía eléctrica que usa un condensador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en que:

conmutadores para seleccionar conducción o no conducción están previstos entre cada dos bloques de circuito del medio de almacenamiento de energía; y

el medio de control (17) está adaptado para desactivar un conmutador de entre los conmutadores que está situado entre los bloques de circuito en los que los condensadores están conectados en paralelo.

5. El sistema de almacenamiento de energía eléctrica que usa un condensador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en que el medio de control (17) está adaptado para realizar, cuando el medio de almacenamiento de energía es cargado o descargado, un séptimo proceso de establecer una tensión inter

terminales mínima entre las tensiones inter-terminales de los condensadores de un bloque detectadas por el medio de detección de tensión inter-terminales (16) como valor de referencia, y de controlar el medio de prevención de sobrecarga (22) de modo que un condensador con una tensión inter-terminales que excede un valor de la tensión inter-terminales mínima sumado a una tolerancia entre los condensadores del bloque de circuito es descargado de forma forzada.

6. El sistema de almacenamiento de energía eléctrica que usa un condensador de acuerdo con la reivindicación 5, en que el medio de control (17) está adaptado para realizar el séptimo proceso cada vez que pasa un intervalo predeterminado.

7. Un método de control para un sistema de almacenamiento de energía eléctrica que usa un condensador, en que el método realiza:

cuando un medio de almacenamiento de energía es cargado,

un primer proceso de controlar un medio de conmutación serie-paralelo (15) de modo que una pluralidad de condensadores (13) de cada uno de n bloques de circuito del medio de almacenamiento de energía son conectados en serie al comienzo del proceso de carga del medio de almacenamiento de energía, en que n es un número natural igual o mayor que dos;

un segundo proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) , cuando la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía alcanza una tensión de entrada máxima de un medio de conversión CC-CA o CC-CC (18) , de modo que la conexión de la pluralidad de condensadores (13) de cada uno de j bloques de circuito en el orden descendente de tensiones de bloque determinadas por un medio de determinación de tensión de bloque (19) es conmutada a la conexión en paralelo, en que j es un número natural hasta n que indica el número de veces que 50 una tensión de entrada alcanza la tensión de entrada máxima durante un proceso de carga; y

un tercer proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) , hasta que la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía alcanza la tensión de entrada máxima del medio de conversión (18) , de modo que la conexión de la pluralidad de condensadores (13) de cada uno de j bloques de circuito en el orden descendente de tensiones de bloque determinadas por el medio de determinación de tensión de bloque (19) es conmutada a la conexión en paralelo, y

cuando el medio de almacenamiento de energía está siendo descargado,

un cuarto proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) de modo que la pluralidad de 5 condensadores (13) de cada bloque de circuito del medio de almacenamiento de energía son conectados en paralelo al comienzo del proceso de descarga del medio de almacenamiento de energía;

un quinto proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) , cuando la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía alcanza una tensión de entrada mínima del medio de conversión (18) , de modo que la conexión de la pluralidad de condensadores (13) de cada uno de k bloques de circuito en el orden descendente de tensiones de bloque determinadas por el medio de determinación de tensión de bloque (19) es conmutada a la conexión en serie, en que k es un número natural hasta n que indica el número de veces que una tensión de entrada alcanza la tensión de entrada mínima durante un proceso de descarga; y

un sexto proceso de controlar el medio de conmutación serie-paralelo (15) , hasta que la tensión de salida del medio de almacenamiento de energía alcanza la tensión de entrada mínima del medio de conversión (18) , de modo que la conexión de la pluralidad de condensadores (13) de cada uno de k bloques de circuito en el orden descendente de tensiones de bloque determinadas por el medio de determinación de tensión de bloque (19) es conmutada a la conexión en serie.