Unidad y sistema de acondicionamiento de energía aléctrica.

Una unidad de acondicionamiento de energía eléctrica que comprende:

- un primer terminal (A) para conectar un generador de energía eléctrica (SA) o una batería (BATT);

- un segundo terminal (B) para conectar una batería o un generador de energía eléctrica, respectivamente;

- un tercer terminal (C) para conectar un bus de energía;

caracterizada porque además comprende:

- una estructura reactiva (RS) conectada entre dicho segundo terminal y tierra, formada por una conexión enserie de un primer inductor (L1), un condensador (Ct1) y un segundo inductor (L2), y se disponen un par denodos, primero (D) y segundo (E), entre el primer inductor y el condensador, y entre el condensador y elsegundo inductor, respectivamente;

- al menos una estructura de conmutación de salida (OSWS) para conectar el tercer terminal (C) al primer y alsegundo nodo a través de los respectivos conmutadores primero (S1) y segundo (S2) y un tercer inductor enserie (L3); y

- al menos una estructura de conmutación de entrada (ISWS) para conectar el primer terminal (A) a al menos elprimer nodo a través de un tercer conmutador (S3).

Unidad y sistema de acondicionamiento de energía eléctrica La invención se refiere a una unidad y un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica, en particular, para un bus de energía solar regulado. La invención se aplica, en particular, aunque no de forma exclusiva, en sistemas de alimentación de energía de vehículos espaciales.

En un satélite, o más generalmente, un vehículo espacial, la función principal de una unidad de acondicionamiento de energía (PCU) consiste en acondicionar la energía procedente de las fuentes correspondientes (constituidas normalmente por placas solares y baterías) y distribuirla a los usuarios de manera continua y en la forma adecuada a lo largo de toda la misión.

La figura 1 ilustra una arquitectura centralizada convencional para un bus de energía solar regulado, del tipo que se han incorporado en aparatos espaciales de la ESA como: Herschel Plank, Rosetta, Venus Express, Mars Express y Alphabus.

Un regulador de panel solar (SAR) extrae la energía del panel solar (SA, que genera una corriente ISA y una tensión VSA) y la suministra al bus de energía regulado, a un nivel de tensión (Vbus) y corriente (ISAR_out) distinto. El bus se modela como una capacidad Cbus, y la corriente Ibus es absorbida por una carga modelada como la impedancia ZL1.

Existen dos familias de reguladores de paneles solares que se utilizan de forma generalizada en vehículos espaciales:

a. Topologías de transferencia directa de energía, como el regulador shunt de conmutación én serie? (S3R) (véase el documento US 4 186 336) ;

b. Convertidores de modulación por anchura de impulsos (PWM) con seguimiento del punto de máxima potencia.

Además del regulador del panel solar, la tarea de recargar las baterías BATT del vehículo a la luz del sol se debe llevar a cabo con una característica de tensión de batería que cambie durante la carga, absorbiendo corriente IBATT del bus de energía y, al mismo tiempo, manteniendo la regulación de la tensión del bus. Esta función se realiza por medio del regulador de carga de batería (BCR) .

Asimismo, durante los periodos de eclipse, se debe proteger el bus de energía de la variación en la tensión proporcionada por las baterías del vehículo espacial, añadiendo un regulador de descarga de batería (BDR) con PWM (modulación en ancho de pulso) con el fin de mantener el bus de energía a una tensión constante durante la descarga de las baterías.

Las ventajas del bus regulado son muy conocidas:

- simplificación de la interfaz de tensión de usuario, que da lugar a un convertidores secundarios con diseños más sencillos;

- mayor estandarización de los equipos;

- control de limpieza electromagnética (ECC) más sencillo;

-flexibilidad y optimización del diseño de la batería y el panel solar, que tienen más impactos en la masa del sistema que el equipo de acondicionamiento de energía.

Rara vez se incorporan buses regulados de energía centralizada en vehículos espaciales diseñados para funcionar en una órbita terrestre baja (LEO) . Las órbitas LEO se caracterizan por una alta relación eclipse/órbita (33% aproximadamente) ; a consecuencia de ello, por ejemplo, una fuerte descarga de 0, 5h se debe recargar en un periodo inferior a 1 h. La arquitectura tradicional de bus regulado de sistemas electrónicos de alimentación de energía (véase la fig. 1) aplicada a los vehículos espaciales LEO requeriría convertidores de energía grandes y pesados, especialmente reguladores de carga y descarga de baterías. Por este motivo, en los satélites LEO se suelen incorporar buses no regulados (conectados directamente a la batería, y, por tanto, con un nivel de tensión variable) , con lo que se pierden las ventajas del bus regulado. Otro inconveniente de esta opción consiste en que las cargas de energía por impulsos provocan ruido conducido que debe ser tolerado por todos los usuarios del bus, incluido el equipo de servicio (plataforma) , y este hecho tiende a complicar el diseño del equipo de usuario, incluida la necesidad de utilizar complejos convertidores de tipo PWM.

Por este motivo, a veces se escoge la arquitectura de “convertidores en cascada” para separar los usuarios de la plataforma con respecto a las cargas de energía pulsada (fig. 2) . Los usuarios de la plataforma (ZL1) reciben el suministro de un bus regulado y la carga útil pulsada de alta energía (que no se representa) está conectada directamente a la batería. Se ha incorporado dicha arquitectura en el vehículo espacial Aeolus de la ESA con el fin de reducir la masa de la PCU con respecto a la arquitectura regulada convencional. La energía se extrae del panel solar y se lleva a la batería con un S3R. Se incorporaron convertidores reductores al bus de la batería para generar un bus regulado. Para este ejemplo concreto, la tensión del bus regulado es menor que la tensión de la batería, que es inferior al punto de máxima potencia del panel solar, en cualquier condición: Vbus < VBATT < VMPP.

La arquitectura en cascada proporciona una menor eficiencia que la centralizada. Además, con un S3R conectado a la batería, la energía transferida al bus depende tanto de las características del panel solar como de la tensión de la batería (variable) . No obstante, la arquitectura en cascada resulta más fácil de controlar que la centralizada, y evita el uso de convertidores demasiado pesados en aplicaciones LEO.

Se pueden usar ambas arquitecturas (bus regulado centralizado –figura 1- y regulador en cascada –figura 2-) con varios convertidores PWM, con el fin de:

- hacer funcionar los paneles solares a su punto de máxima potencia, con la ayuda de seguidores del punto de máxima potencia, para extraer la energía de los paneles solares;

- gestionar la carga y descarga de la batería; y

- generar un bus regulado centralizado y externo para otras unidades.

Además, se deben usar arquitecturas completamente diferentes para misiones diferentes.

La invención pretende proporcionar una arquitectura mejorada de la unidad de acondicionamiento de energía con una menor complejidad, mayor flexibilidad, un aumento en la eficiencia y/o una masa reducida.

De acuerdo con la presente invención, este resultado se logra mediante la unidad de acondicionamiento de energía de la reivindicación 1, que comprende:

- un primer terminal para conectar un generador de energía eléctrica o una batería;

- un segundo terminal para conectar una batería o un generador de energía eléctrica, respectivamente;

- un tercer terminal para conectar un bus de energía;

caracterizada porque además comprende:

- una estructura reactiva conectada entre dicho segundo terminal y tierra, formada por una conexión en serie de un primer inductor, un condensador y un segundo inductor, y se proporcionan un primer y un segundo nodo entre el primer inductor y el condensador, y entre el condensador y el segundo inductor, respectivamente;

- al menos una estructura de conmutación de salida para conectar el tercer terminal al primer y al segundo nodo a través de los respectivos conmutadores primero y segundo y un tercer inductor en serie; y

- al menos una estructura de conmutación de entrada para conectar el primer terminal con al menos el primer nodo a través de un tercer conmutador.

Las formas de realización particulares de dicha unidad de acondicionamiento de energía eléctrica se recogen en las reivindicaciones dependientes 2 a 6.

Otro objeto de la invención consiste en un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica que comprende:

- dicha unidad de acondicionamiento de energía eléctrica; y

- un primer circuito de control para generar una primera señal de modulación por ancho de pulso que acciona el primer conmutador de dicha unidad de acondicionamiento de energía, y dicho primer circuito de control incorpora un bucle de control de corriente para generar dicha primera señal de modulación por ancho de pulso usando una primera señal de realimentación de corriente proporcional a una corriente que circule a través de dicho tercer inductor en serie.

Las formas de realización particulares de dicho sistema de acondicionamiento de energía eléctrica se recogen en las reivindicaciones dependientes 8 a 16.

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la siguiente descripción, considerada junto con los dibujos adjuntos, que muestran:

figuras 1 y 2: dos arquitecturas de bus de energía regulado de acuerdo con la técnica anterior;

figura 3: un esquema eléctrico de una unidad de acondicionamiento de energía... [Seguir leyendo]

1. Una unidad de acondicionamiento de energía eléctrica que comprende:

- un primer terminal (A) para conectar un generador de energía eléctrica (SA) o una batería (BATT) ;

- un segundo terminal (B) para conectar una batería o un generador de energía eléctrica, respectivamente;

- un tercer terminal (C) para conectar un bus de energía;

caracterizada porque además comprende:

- una estructura reactiva (RS) conectada entre dicho segundo terminal y tierra, formada por una conexión en serie de un primer inductor (L1) , un condensador (Ct1) y un segundo inductor (L2) , y se disponen un par de nodos, primero (D) y segundo (E) , entre el primer inductor y el condensador, y entre el condensador y el segundo inductor, respectivamente;

- al menos una estructura de conmutación de salida (OSWS) para conectar el tercer terminal (C) al primer y al segundo nodo a través de los respectivos conmutadores primero (S1) y segundo (S2) y un tercer inductor en serie (L3) ; y

- al menos una estructura de conmutación de entrada (ISWS) para conectar el primer terminal (A) a al menos el primer nodo a través de un tercer conmutador (S3) .

2. Una unidad de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1, en la que:

- el primer conmutador de dicha, o al menos una, estructura de conmutación de salida es un conmutador controlado bidireccional en corriente (M1) ; y

- el segundo conmutador de dicha, o al menos una, estructura de conmutación de salida es un rectificador (D2) conectado para permitir que la corriente circule hacia dicho tercer terminal, mediante el cual la estructura reactiva y la estructura de conmutación de salida forman un convertidor CC/CC reductor.

3. Una unidad de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 2, en la que:

- el tercer conmutador de dicha, o al menos una, estructura de conmutación de entrada es un conmutador controlado bidireccional en corriente (M3) ;

y en el que dicha, o al menos una, estructura de conmutación de entrada también comprende un cuarto conmutador (S4, M4) , que también está controlado y es bidireccional en corriente, para conectar el primer terminal a dicho segundo nodo;

por lo cual, la estructura reactiva y dicha estructura de conmutación de entrada forman un convertidor CC/CC elevador y reductor.

4. Una unidad de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 2, en la que:

- el tercer conmutador de dicha, o al menos una, estructura de conmutación de entrada es un conmutador controlado unidireccional en corriente (M3) , conectado para permitir que la corriente circule únicamente desde dicho primer terminal hacia el primer nodo de la estructura reactiva;

y en el que dicha, o al menos una, estructura de conmutación de entrada también comprende:

- un cuarto conmutador (M4) , controlado y bidireccional en corriente, para conectar el primer terminal a dicho segundo nodo; y

- un rectificador (S5, D5) conectado entre el primer nodo y tierra, que permite que la corriente circule únicamente

desde tierra hasta dicho primer nodo; por lo cual, la estructura reactiva y dicha estructura de conmutación de entrada forman un convertidor CC/CC elevador, de transferencia directa de energía y reductor.

5. Una unidad de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 2, en la que:

- el tercer conmutador de dicha, o al menos una, estructura de conmutación de entrada es un rectificador (D3) , conectado para permitir que la corriente circule únicamente desde dicho primer terminal hacia el primer nodo de la estructura reactiva;

y en el que dicha, o al menos una, estructura de conmutación de entrada también comprende un cuarto conmutador (M4) , controlado y bidireccional en corriente, para conectar el primer terminal a dicho segundo nodo; y por lo cual, la estructura reactiva y dicha estructura de conmutación de entrada forman un convertidor CC/CC elevador.

6. Una unidad de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 2, en la que:

- el tercer conmutador de dicha, o al menos una, estructura de conmutación de entrada es un conmutador controlado bidireccional en corriente (M3) ;

y en el que dicha, o al menos una, estructura de conmutación de entrada también comprende un rectificador (D5) conectado entre el primer nodo y tierra, que permite que la corriente circule únicamente desde tierra hacia dicho primer nodo;

por lo cual, la estructura reactiva y dicha estructura de conmutación de entrada forman un convertidor CC/CC reductor.

7. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrico, que comprende:

-una unidad de acondicionamiento de energía eléctrica (PCU) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6; y

- un primer circuito de control (CC1) para generar una primera señal de modulación por ancho de pulso (PWM M1) que acciona el primer conmutador (M1) de dicha unidad de acondicionamiento de energía, y dicho primer circuito de control incorpora un bucle de control de corriente (OCL) para generar dicha primera señal de modulación por ancho de pulso usando una primera señal de realimentación de corriente (SIL3) proporcional a una corriente que circule a través de dicho tercer inductor en serie (L3) .

8. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la unidad de acondicionamiento de energía es una unidad de acuerdo con la reivindicación 3, y que además comprende un segundo circuito de control (CC2) para generar:

- una segunda señal de modulación por ancho de pulso (PWM M3) , que acciona el tercer conmutador (M3) de dicha unidad de acondicionamiento de energía; y

- una tercera señal de modulación por ancho de pulso (PWM M3) , complementaria a dicha segunda señal de modulación por ancho de pulso, que acciona el cuarto conmutador (M4) de dicha unidad de acondicionamiento de energía;

y dicho segundo circuito de control incorpora un bucle de control de corriente (BCDR_CL) para generar dichas segunda y tercera señales de modulación de ancho de pulso usando una segunda señal de realimentación de corriente (SIL) proporcional a la corriente que circula a través del primer terminal (A) de la unidad de acondicionamiento de energía.

9. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 8, en el que:

- dicho primer circuito de control (CC1) comprende unos medios para generar una primera señal de tensión en diente de sierra o triangular (SW1) ; y un primer comparador (CMP1) para comparar dicha señal en diente de sierra o triangular con un primer nivel de tensión de referencia (SD) dependiendo de dicha primera señal de realimentación de corriente (SIL3) , y la primera señal de modulación por ancho de pulso corresponde a la salida de dicho primer comparador;

- dicho segundo circuito de control comprende: unos medios para generar una segunda señal de tensión en diente de sierra o triangular (SW3) ; y un segundo comparador (CMP3) para comparar dicha señal en diente de sierra o triangular con un segundo nivel de tensión de referencia (SD’) dependiendo de dicha segunda señal de realimentación de corriente (SIL) , y la segunda señal de modulación por ancho de pulso corresponde a la salida de dicho segundo comparador; y

- dicho segundo circuito de control también comprende: unos medios para generar una tercera señal de tensión en diente de sierra o triangular (SW4) , sincrónica y en fase con dicha segunda señal de tensión en diente de sierra o triangular (SW3) y con desplazamiento u offset de la tensión con respecto a la misma; y un tercer comparador (CMP4) para comparar dicha señal en diente de sierra o triangular con dicho segundo nivel de tensión de referencia, y la tercera señal de modulación por ancho de pulso corresponde a la salida de dicho tercer comparador;

dichas segunda y tercera señales de tensión en diente de sierra o triangular son sincrónicas con respecto a dicha primera señal de tensión en diente de sierra o triangular y posee un retardo de fase de 180º con respecto a la misma.

10. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 o 9, en el que dicho segundo circuito de control también incorpora un bucle de control de tensión externo (IVL) para generar dicho segundo valor de tensión de referencia (SD’) usando una primera señal de realimentación de tensión (SVIN) proporcional a un nivel de tensión del segundo terminal (B) de la unidad de acondicionamiento de energía.

11. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, que además comprende:

- al menos una batería (BATT) conectada a la primera puerta (A) de la unidad de acondicionamiento de energía; y

- al menos un panel solar (SA) conectado a la segunda puerta (B) de dicha unidad de acondicionamiento de energía.

12. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la unidad de acondicionamiento de energía es una unidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, y que además comprende un segundo circuito de control (CC2) para generar al menos una segunda señal de modulación de ancho de pulso, que acciona un conmutador de la estructura de conmutación de entrada de la unidad de acondicionamiento de energía; y dicho segundo circuito de control incorpora un bucle de control de corriente (SAR_CL) para generar dicha segunda señal de modulación de ancho de pulso usando una segunda señal de realimentación de corriente (SIL) proporcional a una corriente que circule a través del primer inductor de la estructura reactiva de la unidad de acondicionamiento de energía.

13. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 12, en el que:

- dicho primer circuito de control (CC1) comprende unos medios para generar un primera señal en diente de sierra o triangular (SW1) ; y un primer comparador (CMP1) para comparar dicha señal en diente de sierra o triangular con un primer nivel de tensión de referencia (SD) dependiendo de dicha primera señal de realimentación de corriente (SIL3) , y la primera señal de modulación de ancho de pulso corresponde a la salida de dicho comparador;

- dicho segundo circuito de control comprende: unos medios para generar al menos una segunda (SW3) o tercera (SW4) señal de tensión en diente de sierra o triangular; y al menos un segundo comparador (CMP3, CMP4) para comparar dicha señal en diente de sierra o triangular con un segundo nivel de tensión de referencia (SD’) dependiendo de dicha segunda señal de realimentación de corriente (SIL) , y la segunda o la tercera señal de modulación por ancho de pulso corresponde a la salida de dicho segundo comparador;

y dicha segunda o tercera señal de tensión en diente de sierra o triangular es sincrónica y está en fase con dicha primera señal de tensión en diente de sierra o triangular.

14. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12

o 13, en el que dicho segundo circuito de control también incorpora un bucle de control de tensión externo (IVL) para generar dicho segundo valor de tensión de referencia (SD’) usando una primera señal de realimentación de tensión proporcional a un nivel de tensión del primer terminal de la unidad de acondicionamiento de energía.

15. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 o de la 12 a la 14, que además comprende:

- al menos un panel solar (SA) conectado a la primera puerta (A) de la unidad de acondicionamiento de energía; y

- al menos una batería (BATT) conectada a la segunda puerta (B) de dicha unidad de acondicionamiento de energía.

16. Un sistema de acondicionamiento de energía eléctrica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 15, en el que dicho primer circuito de control también incorpora un bucle de control de tensión externo (OVL) para generar dicho primer valor de tensión de referencia usando una primera señal de realimentación de tensión (Vbus) proporcional a un nivel de tensión del tercer terminal de la unidad de acondicionamiento de energía.