Equipo híbrido de conversión para recarga de vehículos eléctricos y procedimiento de carga asociado.

Equipo (1) híbrido de conversión que comprende un convertidor (3) híbrido formado por una rama (31) de semiconductores primaria,

una rama (32) de semiconductores secundaria, una rama (33) de semiconductores terciaria, y una rama (34) de semiconductores de neutro, donde: las ramas primaria (31), secundaria (32), terciaria (33), y de neutro (34) constituyen un convertidor CC/CA; y las ramas primaria (31) y secundaria (32) constituyen un convertidor CC/CC para proporcionar la salida de continua (4); donde un conjunto (6) de contactores permite seleccionar entre la salida de continua (4) o la salida de trifásica alterna (5), y que además comprende dos condensadores (7) conectados respectivamente entre el polo positivo y negativo de la entrada del convertidor (3) y el neutro (N) para permitir una regulación de la corriente de neutro del equipo (1).

Equipo híbrido de conversión para recarga de vehículos eléctricos y procedimiento de carga asociado

Objeto de la invención

La invención pertenece al campo de los vehículos eléctricos, y más concretamente a los equipos especialmente diseñados para la recarga de vehículos eléctricos.

El objeto de la presente invención es un equipo híbrido de conversión para vehículos eléctricos, una estación de recarga que incorpora el equipo híbrido anterior, y un procedimiento de carga de energía en un vehículo eléctrico por medio de dicha estación. La estación de carga híbrida constituye una solución para el abastecimiento de vehículos eléctricos comerciales, tanto para protocolos en carga de corriente continua, como para corriente alterna, de tal forma que todos los vehículos eléctricos del mercado son recargables mediante la estación objeto de la invención.

Estado de la técnica

En la actualidad, el mercado de los vehículos eléctricos está aumentando tanto en modelos como en volumen de ventas. Los vehículos eléctricos requieren de un sistema para la recarga de las baterías que almacenan la energía que luego impulsará al vehículo. Aunque lo lógico sería que todos los vehículos tuvieran un sistema estándar para la recarga, esto no es así, existiendo diferentes estándares. Los tipos de recarga de los vehículos eléctricos se clasifican según diferentes criterios. Dichos criterios son:

a) Según la naturaleza de la corriente de la recarga:

- Corriente continua

- Corriente alterna.

b) Según el tipo de conector:

- Conector CHAdeMO.

- Conector IEC 62196-2.

- Conector J1772.

- Conector Shuko.

c) Según el tiempo de recarga (en función del tiempo recarga desde el 0 % al 80%):

- Recarga lenta: de 2 a 8 horas.

- Recarga semirrápida: de 1 a 2 horas

- Recarga rápida: de 20 minutos a 1 hora

Como se puede comprobar la problemática asociada a la recarga de vehículos eléctricos es amplia y variada. En general, un vehículo eléctrico posee una sola posibilidad de recarga que se identifica por cada uno de los tipos de características indicadas antes.

La estación de recarga híbrida permitirá que en un solo equipo se puedan realizar los tipos de recargas más extendidos en los vehículos eléctricos comerciales.

Actualmente existen en el mercado estaciones comerciales que poseen más de un tipo de recarga en el mismo equipo. Estas estaciones conocidas, simplemente disponen en paralelo diferentes convertidores y/o transformadores, independientes entre sí. Un ejemplo de esto puede ser la estación de recarga Terra Smart Connect Dúo y Terra 52 de ABB. Esto implica una redundancia en materiales, que con las tasas actuales de demanda de recarga no parecen justificables.

Descripción de la invención

El origen de la estación de carga híbrida de la presente invención era el mismo que el de los dos equipos anteriores mencionados. Se trataba de solucionar el problema de dar servicio a diferentes tipos de recarga de vehículos eléctricos a través de tres convertidores paralelos: un CC/CC para la recarga en corriente continua, un CC/CA trifásico para la recarga en corriente alterna y un puente en H para la recarga monofásica alterna.

Sin embargo, no es frecuente que dos tipos de recarga rápida se vayan a dar en una misma estación, y por ello se decide que los convertidores CC/CC y CC/CA no se ofrecerán a la vez. Además, si se desea utilizar el CC/CA para realizar la recarga monofásica alterna entre una fase y el neutro de la salida el equipo deberá ser robusto frente a cargas desbalanceadas. Es por ello que la presente invención presenta una topología de convertidor de 4 ramas con modulación de neutro, que a través de la configuración del

software de control, nos permite realizar las diferentes tipos de recargas existentes.

Un sistema trifásico balanceado es aquel en el que las corrientes de fase poseen el mismo módulo de tensión y frecuencia, habiendo un desfase entre ellas de 120°. Cuando se cumple que una carga trifásica esta balanceada, se tiene que el valor de la tensión del neutro, es nula. Por el contrario, cuando la carga no está balanceada aparece una señal senoidal en el neutro correspondiente a la suma de las tres tensiones de fase.

Para evitar la aparición de corrientes por el neutro, se apuesta por la topología de 4 ramas con modulación de neutro, que permite fijar el valor de tensión del neutro inyectando o extrayendo corriente del neutro a través de la cuarta rama del convertidor. Esto hace que el convertidor sea más robusto frente a los pequeños desequilibrios, que puedan existir por el comportamiento no lineal de los vehículos eléctricos y que la recarga monofásica se pueda realizar entre una fase y el neutro de las salidas trifásicas, eliminando la necesidad de un convertidor CC/CA adicional.

Además de esto, como se explicará más adelante, el convertidor CC/CA trifásico comparte dos ramas de semiconductores con el convertidor CC/CC que dependiendo del filtro de salida seleccionado nos permitirá obtener corrientes de salida continua o alterna en un mismo convertidor, por lo que se obtiene un convertidor híbrido entre dos convertidores CC/CC y CC/CA.

Por tanto, de acuerdo con un primer aspecto de la invención, el equipo híbrido de conversión comprende una entrada de corriente continua, un convertidor, y dos salidas respectivamente de continua, y de trifásica alterna. La particularidad fundamental de este equipo híbrido de conversión es que se consigue implementar dos convertidores CC/CC y CC/CA de tal forma que comparten dos ramas de semiconductores, normalmente IGBT's, consiguiéndose así minimizar el número de elementos utilizados para su implementación y, por consiguiente, reduciendo el volumen y coste del dispositivo.

En concreto, el convertidor híbrido está formado por una rama de semiconductores primaria, una rama de semiconductores secundaria, una rama de semiconductores terciaria, y una rama de semiconductores de neutro, donde:

- Las ramas primaria, secundaria, terciaria, y de neutro constituyen un convertidor CC/CA para proporcionar la salida de trifásica.

- Las ramas primaria y secundaria constituyen un convertidor CC/CC para proporcionar la salida de continua.

La selección entre trifásica o continua se lleva a cabo por medio de un conjunto de contactores que permite conectar la salida de las ramas primaria y secundaria a los bornes que constituyen la salida de continua, o bien la salida de las ramas primaria, secundaria, terciaria y de neutro a los bornes que constituyen la salida de trifásica alterna.

Además, el equipo de conversión de la invención comprende un par de condensadores de modulación de neutro conectados respectivamente entre el polo positivo y de la entrada del convertidor y el neutro para permitir una regulación de la corriente de neutro del equipo.

Esta configuración proporciona una gran versatilidad en cuanto a tipos de carga a la vez que consigue minimizar espacio y coste. Nótese que, en caso de seleccionarse la salida de trifásica alterna, se podrían implementar diferentes tipos de carga basados en corriente alterna, ya sea trifásica (IEC 62196-2) o monofásica (J1772 o Schuko). Incluso, sería posible implementar simultáneamente dos recargas en alterna respectivamente trifásica y monofásica.

De acuerdo con una realización preferida, el equipo de la invención además comprende un enlace de continua formado por un condensador conectado entre el polo positivo y negativo de la entrada del convertidor. La función del enlace de continua (DC link) es estabilizar la tensión a la entrada del equipo.

En otra realización preferida, el equipo además comprende un circuito de precarga formado por un par de fusibles conectados respectivamente en cada polo de la entrada y un par de contactores situados para permitir la intercalación de una resistencia entre el polo positivo de la entrada y el polo positivo de la entrada al convertidor.

En otra realización preferida, el equipo además comprende un filtro L formado por cuatro bobinas conectadas entre el convertidor y el conjunto de contactores.

En otra realización preferida, con el objeto de estabilizar la salida el equipo además comprende un filtro de corriente continua formado por un condensador conectado entre el borne positivo y el borne negativo de la salida de continua, y un filtro de corriente alterna

formado por tres condensadores conectados respectivamente entre cada fase de la salida de corriente alterna y el neutro.

Otra realización preferida de la invención está dirigida a una estación híbrida de recarga que comprende...

1. Equipo (1) híbrido de conversión para la carga de vehículos eléctricos que comprende una entrada (2) de corriente continua, un convertidor (3) híbrido, y dos salidas respectivamente de continua (4) y de trifásica alterna (5), caracterizado porque el convertidor (3) híbrido está formado por una rama (31) de semiconductores primaria, una rama (32) de semiconductores secundaria, una rama (33) de semiconductores terciaria, y una rama (34) de semiconductores de neutro, donde:

- las ramas primaria (31), secundaria (32), terciaria (33), y de neutro (34) constituyen un convertidor CC/CA para proporcionar la salida de trifásica (5); y

- las ramas primaria (31) y secundaria (32) constituyen un convertidor CC/CC para proporcionar la salida de continua (4);

donde un conjunto (6) de contactores (K3, K4, K5, K6) permite conectar bien la salida de las ramas primaria (31) y secundaria (32) a los bornes (DC OUT POS, DC OUT NEG) que constituyen la salida de continua (4), o bien la salida de las ramas primaria (31), secundaria (32), terciaria (33) y de neutro (34) a los bornes (F1, F2, F3, N) que constituyen la salida de trifásica alterna (5), ,

y que además comprende un par de condensadores (7) de modulación de neutro conectados respectivamente entre el polo positivo (DC POS) y negativo (DC NEG) de la entrada del convertidor (3) y el neutro (N) para permitir una regulación de la corriente de neutro del equipo (1).

2. Equipo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende un enlace de continua (8) formado por un condensador (C) conectado entre el polo positivo (DC POS) y negativo (DC NEG) de la entrada del convertidor (3).

3. Equipo (1) de acuerdo con la reivindicación 2, que además comprende un circuito (9) de precarga formado por un par de fusibles (F+, F-) conectados respectivamente en cada polo (VBus+, VBus-) de la entrada (2) y un par de contactores (K1, K2) situados para permitir la intercalación de una resistencia (R) entre el polo positivo (VBus+) de la entrada (2) y el polo positivo (DC POS) de la entrada al convertidor (3).

4. Equipo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un filtro L (10) formado por las bobinas (Lu, Lv, Lw, Ln) conectadas entre el convertidor (3) y el conjunto (6) de contactores.

5. Equipo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un filtro (11) de corriente continua formado por un condensador (CDC) conectado entre el borne positivo (DC OUT POS) y el borne negativo (DC OUT POS) de la salida (4) de continua, y un filtro (12) de corriente alterna formado por tres condensadores (Cw, Cv, Cu) conectados respectivamente entre cada fase (F1, F2, F3) de la salida (5) de corriente alterna y el neutro (N).

6. Estación (20) de carga híbrida que comprende un equipo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde:

- la salida de continua (4) permite obtener una conexión de recarga de vehículos eléctricos en corriente continua de tipo CHAdeMO;

- la salida de trifásica alterna (5) permite obtener una conexión de recarga de vehículos eléctricos en corriente trifásica alterna de tipo IEC 62196-2, y/o en corriente monofásica alterna de tipo J1772, y/o en corriente monofásica alterna de tipo Schuko

7. Estación (20) de acuerdo con la reivindicación 6, que además comprende un medio (21) de procesamiento que controla el funcionamiento de los semiconductores y de los contactores (K1, K2, K3, K4, K5, K6) del convertidor (1) en función del tipo de carga deseado en cada momento.

8. Estación (20) acuerdo con la reivindicación 7, donde el medio (21) de procesamiento está en comunicación con un módulo (22) de comunicaciones del vehículo eléctrico para conocer perfil de carga demandado por dicho vehículo.

9. Estación (20) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-8, que además comprende un módulo (23) de entrada de usuario en comunicación con el medio (21) de procesamiento que actúa como interfaz entre la estación (20) y el usuario.

10. Estación (20) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-9, que además comprende un módulo (24) de comunicaciones en comunicación con el medio (21) de procesamiento para permitir la comunicación entre la estación (20) y una base (100) de datos externa.

11. Estación (20) de acuerdo con la reivindicación 10, que además comprende una base

(25) de datos local en comunicación con el medio (21) de procesamiento.

12. Procedimiento de carga de vehículos eléctricos en una estación de carga híbrida (20) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6-11 anteriores, caracterizado porque comprende las etapas de:

a) esperar la conexión de un vehículo

b) identificar un vehículo eléctrico y comprobar si el tipo de recarga es compatible;

c) en caso de una identificación positiva en la etapa b), pre-aceptar el servicio de carga y comprobar los permisos de usuario para realizar la recarga;

d) una vez comprobados los permisos de usuario en la etapa c), habilitar el tipo de carga requerida por el vehículo hasta comprobar que la tensión de salida cumple con el tipo de carga requerido por el vehículo;

e) cuando se cumple la condición de la etapa d), comenzar la carga y monitorizar dicha carga;

f) cuando en la etapa e) se determina el final de la carga, finalizar dicha carga, esperar a que se desconecte el vehículo del conector, y retornar a la etapa a).