METODO AUTOMATICO DE CONTROL DE UN SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE POTENCIA CON ACOPLAMIENTO INDUCTIVO EN ALTA FRECUENCIA.
Método automático de control de un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia.
La presente invención tiene por objeto un método automático de control de un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia que mantiene la potencia transferida a la carga igual a la nominal con desalineamientos de hasta el 99% del área del secundario, que controla la tensión de alimentación y frecuencia del sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo, mediante un sistema de control en bucle cerrado, para regular los desalineamientos y la variación de la distancia al secundario y conseguir así, transferir la potencia nominal, implantándose en un sistema de carga de baterías para vehículos eléctricos tanto en reposo como en movimiento sin medios auxiliares de acercamiento ni posicionamiento del vehículo al primario
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200801611.
Solicitante: FUNDACION CIRCE - CENTRO DE INVESTIGACION DE RECURSOS Y CONSUMOS ENERGETICOS.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: ZARAGOZA.
Inventor/es: LLOMBART ESTOPIAN,ANDRES, SALLAN ARASANZ,JESUS, MELERO ESTELA,JULIO JAVIER, VILLA GAZULLA,JUAN LUIS, SANZ OSORIO,JOSE FRANCISCO.
Fecha de Solicitud: 29 de Mayo de 2008.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 1 de Junio de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H02J7/02B1
Clasificación PCT:
- B60L11/18
- H02J7/02 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02J CIRCUITOS O SISTEMAS PARA LA ALIMENTACION O LA DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA; SISTEMAS PARA EL ALMACENAMIENTO DE ENERGIA ELECTRICA. › H02J 7/00 Circuitos para la carga o despolarización de baterías o para suministrar cargas desde baterías. › para cargar baterías por redes de corriente alterna mediante convertidores.
Fragmento de la descripción:
Método automático de control de un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia.
Objeto de la invención
La presente invención tiene por objeto un método automático de control de un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia que mantiene la potencia transferida a la carga igual a la nominal con desalineamientos de hasta el 99% del área del secundario.
El método automático controla la tensión de alimentación y frecuencia del sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo, que de ahora en adelante se escribirá con sus siglas ICPT (en inglés "Inductive Coupling Power Transfer") mediante un sistema de control en bucle cerrado, para regular los des-alineamientos y la variación de la distancia al secundario y conseguir así, transferir la potencia nominal.
El método automático de control del sistema ICPT se implanta en un sistema de carga de baterías para vehículos eléctricos tanto en reposo como en movimiento sin medios auxiliares de acercamiento ni posicionamiento del vehículo al primario.
Antecedentes de la invención
Son conocidos en el estado de la técnica los sistemas ICPT, que son sistemas formados por dos bobinas o devanados eléctricamente aislados y acoplados magnéticamente a través del aire, que son capaces de transferir potencia con una elevada eficiencia.
En el aire, el acoplamiento entre bobinas es mucho menor que en el caso de transformadores o motores, en los que el acoplamiento se hace a través de un núcleo magnético. Por esta razón, para conseguir elevados rendimientos en la transferencia es necesario trabajar a elevadas frecuencias y con las bobinas compensadas mediante condensadores en ambos bobinados. Estos condensadores de acoplamiento, hacen que todo el sistema trabaje en resonancia y por tanto se transfiere la potencia deseada con un elevado rendimiento.
Los sistemas ICPT presentan dos partes bien diferenciadas.
Los sistemas de compensación básicos están formados por un condensador de resonancia Cx conectado en serie y/o paralelo. Existen por tanto cuatro diferentes tipos de compensación dependiendo de la conexión serie o paralelo de los condensadores a las bobinas del primario y del secundario.
Aparte de los sistemas básicos existen sistemas de compensación más complejos que presentan combinaciones de condensadores y bobinas conectados en serie y/o en paralelo en el primario y/o el secundario.
Dentro de las aplicaciones de los sistemas ICPT se encuentra la alimentación de vehículos eléctricos tanto en movimiento como parados, a través de uno o varios conductores por debajo de dichos vehículos. Estos sistemas se denominan respectivamente sistemas de secundario móvil, o sistemas de secundario fijo.
Dentro de estas aplicaciones existen dos sistemas físicos en función de cómo se realiza la captura de flujo por parte del secundario, los sistemas de captura del flujo normal y los sistemas de captura del flujo tangencial o trasversal.
Los sistemas de flujo trasversal están formados en su forma básica por un único conductor en primario situado bajo el asfalto que hace de línea de transmisión y una bobina de secundario en posición trasversal respecto del conductor de primario. Debido a que el coeficiente de inducción mutua es muy bajo en este sistema, es indispensable que la bobina de secundario esté bobinada sobre un núcleo de ferrita.
Este sistema permite desalineamientos de muy pequeña magnitud, ya que la potencia transferida decae rápidamente cuando la bobina de secundario se desplaza a izquierda o derecha. Existen soluciones con varios conductores que permiten cierto desalineamiento siempre y cuando la bobina de secundario no salga de los límites de la vertical marcada por los conductores situados en los extremos. Estas soluciones son mucho más caras y el coeficiente de acoplamiento sigue siendo bajo.
Los sistemas de captura de flujo normal mediante dos bobinas planas enfrentadas presentan un coeficiente de inducción mutua "M" mucho mayor que los sistemas de captura del flujo trasversal. La bobina de primario es de una anchura equivalente a la del secundario aunque puede llegar a ser mucho más larga si se quiere transmitir potencia en un área mayor o adecuar una zona de carga para vehículos en movimiento.
El comportamiento de estos sistemas frente al desalineamiento, depende fuertemente del tipo de compensación utilizada. Cuando la compensación en el primario es en paralelo, es decir, tipos PS y PP el comportamiento es análogo a los sistemas de flujo trasversal, perdiendo capacidad de transferencia de potencia conforme el secundario se desplaza respecto de la posición centrada.
Cuando la compensación en el primario es en serie, es decir, tipos SS, serie-serie y SP, serie- paralelo, la potencia transferida aumenta conforme el secundario se separa de la posición centrada hasta alcanzar 2,5 veces la potencia nominal para desplazamientos del 50% del área de la bobina de secundario, poniendo en peligro la integridad del sistema de alimentación y de las propias bobinas, disminuyendo bruscamente la potencia para desalineamientos mayores.
En los sistemas de carga de baterías existentes el posicionamiento de las bobinas se realiza con la ayuda de sistemas electromecánicos auxiliares que hacen que el alineamiento sea perfecto y siempre para pequeñas distancias de acoplamiento en la dirección vertical, para que el proceso de transferencia sea óptimo. Este tipo de alineamientos resulta caro y lento.
El método automático de control de un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia de la presente invención resuelve todos los inconvenientes anteriores asociados a los sistemas de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo, manteniendo la potencia transferida igual a la nominal con desalineamientos de hasta el 99% del área del secundario y evitando los riesgos eléctricos para el sistema de alimentación.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un método automático de control de un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia que mantiene la potencia transferida a la carga igual a la nominal con un rendimiento óptimo (manteniendo al sistema en condiciones de resonancia en todo momento) cuando el sistema presenta desalineamientos de hasta el 99% del área de la bobina del secundario.
Es decir, cuando al menos el 1% del área de la bobina del secundario esté enfrentada a la bobina del primario se mantendrá la potencia transferida a la carga igual a la nominal mediante dicho método automático de control. Los desalineamientos pueden ser en cualquiera de los dos ejes del plano horizontal o en una combinación de ambas direcciones.
Este método se aplica tanto en sistemas de carga de baterías con secundario fijo como en sistemas de alimentación ininterrumpida de dichas baterías con secundario móvil.
El método automático de control del sistema ICPT incluye un sistema de alimentación de la tensión de entrada, un sistema de control en bucle cerrado, el propio acoplamiento inductivo entre el devanado del primario y el devanado del secundario, el sistema de carga de las baterías o de alimentación ininterrumpidas de dichas baterías con secundario móvil que a su vez presenta un sistema de apantallamiento de emisiones electromagnéticas para proteger las posibles partes internas o elementos externos que se puedan ver afectados por la radiación.
La tensión de entrada del sistema de alimentación en alta frecuencia es modulada por el sistema de control en bucle cerrado que presenta un modulador de frecuencia por ancho de pulso PWM (en inglés "pulse-width modulation"), que emplea una onda cuadrada cuya anchura de pulso es modulada modificando el ciclo de trabajo (en inglés "duty cycle") de la señal de entrada.
Reivindicaciones:
1. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia caracterizado porque presenta un sistema de (4) de control en bucle cerrado que controla desalineamientos de hasta un 99% del área del devanado (1.2.1) del secundario (1.2) debido a que
con lo que se consigue mantener la potencia transferida a un sistema (2) de carga de baterías igual a la nominal, tanto para sistemas (2) de carga de baterías con secundario (1.2) fijo como para sistemas (3) de alimentación ininterrumpida con secundario (1.2) móvil.
2. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado porque para desalineamientos mayores para los que se necesita mayor potencia que la consignada, se entrega la máxima potencia posible, manteniendo el sistema en resonancia en todo momento, y la potencia entregada es la máxima que permite el sistema (3) de alimentación.
3. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado porque el desfase y la potencia transferida a la carga se obtienen con la medición (6) de la tensión y corriente del secundario para todas las configuraciones, pudiéndose también realizar la medición (7) de la tensión y la corriente de primario en los sistemas con compensación PS ó paraleloserie, SP ó serie-paralelo y PP ó paralelo-paralelo puesto que el desfase se refleja de manera directa.
4. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado porque la tensión de entrada del sistema (3) de alimentación es modulada por el sistema (4) de control en bucle cerrado mediante un convertidor (4.1) de potencia por ancho de pulso PWM que emplea una onda cuadrada cuya anchura de pulso es modulada modificando el ciclo de trabajo.
5. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 4 caracterizado porque permite no aplicar toda la tensión al sistema de acoplamiento (1) inductivo en el instante inicial, ya que la corriente consumida puede llegar a ser hasta 2.5 veces la corriente en régimen permanente.
6. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 4 caracterizado porque si se desea variar la potencia transferida basta variar la anchura de la onda cuadrada.
7. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 4 caracterizado porque la tensión de entrada del sistema (3) de alimentación es un puente en H y se realiza un control PWM de un solo pulso siendo las frecuencias habituales de transferencia de potencia entre 10 y 20 kHz para sistemas de elevada potencia y frecuencias mayores en pequeñas potencias.
8. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado porque la configuración de la potencia de alimentación, integrada en el sistema (3) de alimentación, es de tipo push-pull, o similar, pues permite aumentar o disminuir el valor medio de la tensión entregada al acoplamiento inductivo (1).
9. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado porque es aplicable en acoplamientos (1) inductivos donde el devanado (1.1.1) del primario (1.1) es de mayor longitud que el devanado (1.2.1) del secundario (1.2) de manera que en este caso no hay desalineamiento en dirección longitudinal, ya que mientras el devanado (1.2.1) del secundario (1.2) se encuentre en la vertical del devanado (1.1.1) del primario (1.1), la potencia entregada permanece constante.
10. Método automático de control de un dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema (2) de carga de baterías presenta un sistema de apantallamiento de emisiones electromagnéticas para proteger las posibles partes internas o elementos externos que se puedan ver afectados por la radiación.
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