ES2313655T3 - Procedimiento para hacer funcionar un condensador. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para hacer funcionar un condensador (20), especialmente como acumulador de energía para vehículos ferroviarios, en el que - para acumular energía se carga el condensador (20), y concretamente como máximo hasta que alcanza una tensión (Umax) máxima predeterminada, y - para la extracción de energía se descarga el condensador (20), aunque sólo hasta que queda una tensión (Umin) mínima predeterminada, - siendo la tensión mínima una magnitud variable, que se ajusta en función de un valor de temperatura que indica la temperatura (Ti) interna respectiva del condensador, caracterizado porque la tensión mínima se selecciona tanto más grande cuanto mayor sea el valor de temperatura.
Description
Procedimiento para hacer funcionar un
condensador.
La invención se refiere a un procedimiento para
hacer funcionar un condensador, especialmente como acumulador de
energía para vehículos ferroviarios.
La invención se basa en el objetivo de indicar
un procedimiento para hacer funcionar un condensador que incluso en
el caso de condiciones marginales externas desfavorables, como por
ejemplo una elevada temperatura del entorno y/o en el caso de
condensadores ya deteriorados, permita un aprovechamiento óptimo del
potencial de acumulación de energía aún útil del condensador.
Este objetivo se soluciona según la invención
mediante un procedimiento con las características según la
reivindicación 1 de patente. Configuraciones ventajosas del
procedimiento según la invención se indican en las reivindicaciones
dependientes.
El documento US 2003/139859 A1 da a conocer un
procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 1.
Según el mismo está previsto según la invención
que para acumular energía en un condensador éste se cargue
eléctricamente, y concretamente como máximo hasta que ha alcanzado
una tensión máxima predeterminada. Durante la extracción de energía
se descarga el condensador sólo hasta que queda una tensión mínima
predeterminada del condensador. La tensión mínima predeterminada es
según la invención una magnitud variable, que se ajusta en función
de un valor de temperatura que indica la temperatura interna
respectiva del condensador.
Una ventaja fundamental del procedimiento según
la invención consiste en que de manera fiable se evita un
calentamiento del condensador durante el funcionamiento a valores
por encima de una temperatura de funcionamiento permitida; porque
en el procedimiento según la invención la tensión mínima
predeterminada para la extracción de energía se fija en función de
la temperatura. La invención aprovecha a este respecto el
conocimiento de que el calentamiento del condensador aumenta tanto
más, cuanto menor es la carga del condensador. Esto se debe
concretamente a que en el caso de una extracción de energía cae la
tensión del condensador. Si ahora se extrae una potencia eléctrica
constante del condensador, tal como es habitual en el caso de un uso
del condensador por ejemplo en vehículos ferroviarios, entonces
debe compensarse una caída de tensión de la tensión inicial del
condensador mediante una mayor corriente de descarga, ya que el
producto de tensión inicial y corriente inicial determina la
potencia de extracción. Condicionado por la técnica, cualquier
condensador presenta siempre una resistencia interna a través de la
que fluye la corriente de descarga del condensador. El flujo de
corriente a través de la resistencia interna lleva a una potencia
perdida térmica dentro del condensador y por tanto a un
calentamiento del condensador. Así, como resultado, las pérdidas
térmicas del condensador aumentan tanto más cuanto más se descargue
el condensador. En el procedimiento según la invención puede
evitarse ahora un aumento inadmisible de la temperatura del
condensador ajustando la tensión mínima del condensador para la
operación de descarga en función de la temperatura interna
respectiva del condensador. Si por ejemplo se aumenta la tensión
mínima, entonces se limita el "régimen de funcionamiento" o el
"régimen de extracción de energía" del condensador. Así,
mediante el aumento de la tensión mínima, se lleva al condensador a
un régimen de funcionamiento en el que presenta una tensión inicial
especialmente grande; sin embargo, en el caso de grandes tensiones
iniciales puede proporcionarse una potencia de descarga
predeterminada de manera fija del condensador incluso en el caso de
corrientes de descarga relativamente pequeñas, de modo que se
reducen las pérdidas térmicas dentro del condensador. Por tanto,
concretamente, en el procedimiento según la invención puede
mejorarse el "rendimiento térmico" del condensador en función
de la temperatura, haciéndolo funcionar en un régimen de tensión de
salida mayor y por tanto con corrientes de descarga menores, en
cuanto se determina que la temperatura interna del condensador
alcanza valores demasiado altos. Una idea fundamental de la
invención se basa a este respecto en que la capacidad útil del
acumulador de energía sólo disminuye de manera insignificante
debido al aumento de la tensión mínima, ya que el contenido del
acumulador de energía del condensador depende del cuadrado de la
tensión; concretamente se aplica
W = ½ C * U
^{2},
designando W la energía acumulada
en el condensador, C la capacidad y U la tensión. Esto se aclarará a
continuación mediante un ejemplo numérico: si la tensión mínima
asciende por ejemplo al 50% de la tensión máxima, entonces durante
una operación de extracción de un condensador completamente cargado
puede extraerse el 75% de la energía acumulada. Si ahora la tensión
mínima se aumenta hasta un valor del 60% de la tensión máxima,
entonces esto da, respecto a una tensión mínima del 50%, un aumento
del valor de tensión del 20%; a pesar de este aumento del 20% aún
puede extraerse un porcentaje de energía del 64% de la energía
acumulada del condensador, de modo que la reducción de la energía
extraíble sólo asciende al 15%, respecto al valor máximo de
extracción de energía del 75%. Debido a la relación cuadrática
entre la tensión del condensador y la energía acumulada en el mismo
así como debido a la relación cuadrática entre el calentamiento
térmico del condensador y la corriente que fluye a través del
condensador, de este modo mediante una leve reducción de la tensión
mínima para la operación de descarga del condensador puede
conseguirse una reducción considerable del calentamiento térmico sin
reducir sustancialmente la potencia realmente extraíble del
condensador.
Otra ventaja fundamental de la invención
consiste en que puede prescindirse total o al menos parcialmente de
medidas de refrigeración complejas para refrigerar el condensador,
ya que de manera fiable puede evitarse un sobrecalentamiento del
condensador mediante el seguimiento según la invención del valor de
tensión mínima en función de la temperatura.
Una tercera ventaja fundamental del
procedimiento según la invención consiste en que puede aumentarse
considerablemente la vida útil del condensador, ya que puede
evitarse un funcionamiento perjudicial para el condensador en un
intervalo de temperatura elevado reajustando la tensión mínima.
Una cuarta ventaja fundamental del procedimiento
según la invención consiste en que casi nunca se requiere una
desconexión completa del condensador, debido a la temperatura,
porque generalmente puede evitarse ya de antemano la aparición de
temperaturas críticas mediante una reducción del régimen de
funcionamiento del condensador.
Como ya se ha mencionado, la tensión mínima se
selecciona preferiblemente tanto más grande cuanto mayor sea el
valor de temperatura, para fijar el régimen de funcionamiento del
condensador a altas temperaturas en un intervalo de tensión
superior, en el que las pérdidas térmicas son menores que en el caso
de regímenes de funcionamiento con una menor tensión inicial.
El procedimiento mencionado puede utilizarse por
ejemplo para hacer funcionar acumuladores de energía de vehículos
ferroviarios. El condensador puede utilizarse por ejemplo para
acumular temporalmente energía para el desplazamiento de un
vehículo ferroviario, cargándose el condensador cuando se frena el
vehículo ferroviario, alimentándose la energía cinética del
vehículo que se libera, tras una conversión energética, como energía
eléctrica en el condensador. De manera correspondiente se descarga
el condensador cuando ha de acelerarse el vehículo ferroviario,
utilizándose la energía acumulada en el condensador para acelerar el
vehículo.
En caso de que se produzca un aumento
inadmisible de la temperatura del condensador, por ejemplo en el
caso de elevadas temperaturas del entorno durante el verano,
entonces tal como se ha explicado al inicio se limita la potencia
extraíble del condensador, de modo que posiblemente la potencia
disponible ya no sea suficiente para acelerar el vehículo. En este
caso el "resto de energía" necesaria para la operación de
aceleración del vehículo se extrae preferiblemen-
te de otra fuente de energía, por ejemplo de una línea de contacto eléctrica con la que está conectado el vehículo.
te de otra fuente de energía, por ejemplo de una línea de contacto eléctrica con la que está conectado el vehículo.
De manera especialmente preferida, el
procedimiento según la invención puede realizarse en condensadores
de doble capa; los condensadores de doble capa presentan como
electrolito habitualmente acetonitrilo, cuya temperatura de
ebullición asciende a 81ºC. Preferiblemente se evita un
calentamiento del condensador hasta intervalos de temperatura cerca
de la temperatura de ebullición, tal como se indicó mediante el
aumento de la tensión mínima, especialmente también porque en el
caso de un funcionamiento de tales condensadores de doble capa en
el intervalo superior de temperatura se reduciría considerablemente
la vida útil.
Si la temperatura interna del condensador
alcanza un valor de temperatura máxima predeterminado para el
condensador, entonces la tensión mínima se establece
preferiblemente en el valor de la tensión máxima, de modo que se
evita una extracción adicional de energía del condensador. El
condensador permanece por tanto en su estado cargado, de modo que
no puede producirse un calentamiento adicional del condensador.
El aumento de la tensión mínima en función de la
temperatura interna respectiva del condensador puede producirse por
ejemplo ventajosamente de modo que la tensión mínima se fije en un
valor estándar predeterminado de manera fija siempre que el valor
de temperatura se encuentre por debajo de una temperatura de
funcionamiento normal predeterminada. En cuanto la temperatura del
condensador supera la temperatura de funcionamiento normal, se
aumenta la tensión mínima según una función de subida predeterminada
en función de la temperatura respectiva.
El aumento de la tensión mínima en función de la
temperatura interna del condensador puede producirse por ejemplo de
manera lineal. Alternativamente pueden seleccionarse también otras
funciones de subida, por ejemplo la tensión mínima puede elevarse
de manera cuadrática o exponencial en función de la temperatura
interna.
Preferiblemente, el valor estándar para la
tensión mínima del condensador se fija al 50% del valor de tensión
máxima. Con tal valor de tensión mínima puede extraerse el 75% de la
energía acumulada en el condensador.
La temperatura interna del condensador puede
determinarse directamente por ejemplo midiéndose directamente
mediante un sensor de temperatura. El sensor de medición puede estar
dispuesto por ejemplo en el interior del condensador, para poder
medir directamente la temperatura del electrolito.
De manera alternativa, la temperatura interna
del condensador también puede medirse indirectamente recurriendo a
otros valores de medición para determinar la temperatura interna. La
temperatura interna del condensador puede medirse por ejemplo
mediante valores de medición que indican la temperatura del entorno
del condensador, la corriente que fluye a través del condensador,
la resistencia interna eléctrica del condensador y la resistencia
térmica del condensador. Multiplicando los valores de medición para
el cuadrado de la corriente y la resistencia interna puede
calcularse concretamente la potencia perdida dentro del condensador.
Según la temperatura externa del entorno del condensador, debido a
la potencia perdida dentro del condensador y de un modelo de
temperatura adecuado (resistencias térmicas), se obtiene entonces
su temperatura interna.
La determinación indirecta de la temperatura
interna puede producirse por ejemplo leyendo el valor de temperatura
respectivo a partir de una tabla de temperaturas predeterminada en
función de los valores de medición para la temperatura del entorno,
la resistencia del condensador y la corriente; evidentemente, en la
tabla pueden estar insertados los valores para la resistencia
interna del condensador y para la corriente resumidos en forma de
un valor de potencia eléctrica.
De manera alternativa, la determinación de la
temperatura interna del condensador puede producirse también
introduciendo los valores de medición para la temperatura del
entorno, la resistencia interna del condensador y la corriente en
una función matemática de determinación de la temperatura obtenida
de manera empírica o mediante simulación previa, con la que se
calcula la temperatura interna del condensador.
Especialmente en el caso de condensadores de
doble capa basados en acetonitrilo la resistencia interna del
condensador aumenta considerablemente en función de su estado de
deterioro, de modo que la resistencia interna del condensador
debería medirse regularmente o de manera continua, para que la
determinación de la temperatura interna del condensador basada en
un cálculo utilizando la resistencia interna del condensador sea lo
más exacta posible. La medición de la resistencia interna del
condensador puede producirse por ejemplo midiendo la tensión
inicial del condensador y la corriente que fluye a través del
condensador y realizando una formación de cocientes de los valores
de medición correspondientes.
La invención se refiere además a un condensador,
en el que incluso en el caso de condiciones marginales externas
desfavorables, como por ejemplo una elevada temperatura del entorno
y/o en el caso de haberse producido un deterioro, es posible el
aprovechamiento óptimo del potencial del acumulador de energía aun
útil del condensa-
dor.
dor.
Para solucionar este objetivo según la invención
está previsto un acumulador de energía en el que está presente un
dispositivo de control que controla la operación de extracción de
energía permitiendo una extracción de energía del condensador sólo
hasta que quede una tensión mínima predeterminada del condensador.
El dispositivo de control selecciona la tensión mínima permitida en
cada caso en función de un valor de temperatura que indica la
temperatura interna del condensador.
Configuraciones ventajosas del acumulador de
energía según la invención se indican en las reivindicaciones
dependientes.
Respecto a las ventajas del acumulador de
energía según la invención se remite a las realizaciones anteriores
en relación al procedimiento según la invención.
La invención se explica a continuación mediante
dos ejemplos de realización; a este respecto muestran:
la figura 1, un primer ejemplo de realización de
un acumulador de energía según la invención con un condensador así
como un dispositivo de control, que controla la operación de
extracción de energía del condensador y para ello determina
indirectamente la temperatura interna del condensador, y
la figura 2, un segundo ejemplo de realización
de un acumulador de energía según la invención con un condensador y
un dispositivo de control, que determina directamente la temperatura
interna del condensador.
En las figuras 1 y 2 se utilizan los mismos
símbolos de referencia para componentes comparables o idénticos.
En la figura 1 está representado un acumulador
10 de energía, que por ejemplo puede utilizarse para acumular
temporalmente energía de desplazamiento de un vehículo ferroviario
no representado con más detalle en la figura 1.
El acumulador 10 de energía se carga en cada
caso para acumular temporalmente energía de desplazamiento cuando
se frena el vehículo, alimentándose la energía cinética del vehículo
que se libera como energía eléctrica en el acumulador 10 de
energía. Cuando el vehículo vuelve a acelerar, la energía eléctrica
acumulada previamente en el acumulador 10 de energía se extrae del
mismo y se utiliza para acelerar el vehículo.
El acumulador 10 de energía presenta un
condensador 20 de doble capa con un electrolito 30 contenido en el
mismo, que por ejemplo es acetonitrilo con una temperatura de
ebullición de 81ºC.
El acumulador 10 de energía está equipado además
con un dispositivo 40 de control que comprende un dispositivo 50 de
conmutación y un dispositivo 60 de evaluación. El dispositivo 60 de
evaluación está en contacto con las dos conexiones 70 y 80 externas
del condensador 20 de doble capa y mide la tensión Ua inicial
respectiva del condensador 20 de doble capa. Además, el dispositivo
60 de evaluación está en contacto con un dispositivo 90 medidor de
corriente, con el que mide de manera continua la corriente Ia
inicial respectiva del condensador 20 de doble capa; la señal de
medición que indica la magnitud de la corriente Ia inicial se indica
en la figura 1 con el símbolo Mi de
referencia.
referencia.
\newpage
La función del dispositivo 40 de control
consiste en controlar la operación de carga y la operación de
descarga del condensador 20 de doble capa:
En caso de una operación de carga, el
dispositivo 60 de evaluación del dispositivo 40 de control mide de
manera continua la tensión Ua inicial del condensador e interrumpe
la operación de carga abriendo el dispositivo 50 de conmutación, en
cuanto la tensión Ua inicial ha alcanzado una tensión Umax máxima
predeterminada. Entonces el condensador está completamente cargado
y no puede recibir más energía. El dispositivo 60 de evaluación
puede estar formado por ejemplo por una disposición de
microprocesador con un dispositivo de memoria en el que están
almacenados los desarrollos de procedimiento y parámetros de control
correspondientes.
Para descargar el condensador 20 de doble capa,
el dispositivo 60 de evaluación monitoriza tanto la tensión Ua
inicial como la corriente Ia inicial así como, mediante un sensor
100 de temperatura externo, la temperatura Ta del entorno del
condensador 20 de doble capa. Mediante estos valores Ua, Ia y Ta de
medición, el dispositivo 60 de evaluación determina la temperatura
Ti interna respectiva en el electrolito 30 del condensador 20 de
doble
capa.
capa.
La determinación de la temperatura Ti interna
del condensador 20 puede producirse a este respecto introduciendo
los valores Ua, Ia y Ta de medición en una tabla almacenada de
manera fija en el dispositivo 60 de evaluación y leyendo la
temperatura Ti interna correspondiente. La tabla de temperaturas
correspondiente puede haberse determinado por ejemplo de manera
empírica, habiendo registrado y almacenado en una tabla previamente
el comportamiento térmico del condensador 20 de doble capa a
diferentes temperaturas del entorno y diferentes modos de
funcionamiento. De manera alternativa los valores de medición
también pueden introducirse en una función matemática de
determinación de la temperatura, que describe el comportamiento de
temperatura del condensador; esta función matemática de
determinación de la temperatura puede obtenerse de manera empírica o
mediante simulación. Si se coloca el sensor 100 de temperatura
directamente sobre el condensador 20, entonces la temperatura medida
corresponde aproximadamente, con una precisión de hasta una
desviación de aproximadamente 0,5 a 1 grados centígrados, a la
temperatura interna del condensador 20, de modo que puede seguir
utilizándose el valor de medición del condensador 20 también
directamente como valor de medición de temperatura interna.
Una vez que el dispositivo 60 de evaluación ha
determinado la temperatura Ti interna del condensador 20, la
compara con una temperatura Tnorm de funcionamiento normal
almacenada en el dispositivo 60 de evaluación, predeterminada de
manera fija para el condensador de doble capa. Mientras que la
temperatura Ti quede por debajo de la temperatura Tnorm de
funcionamiento normal o sea como máximo igual de grande que la
temperatura de funcionamiento normal, la tensión Umin mínima
permitida para una operación de descarga se establece en un valor
de Umin0 = 50% de Umax.
Sin embargo, si la temperatura Ti interna supera
la temperatura Tnorm de funcionamiento normal, entonces se aumenta
la tensión mínima de manera lineal, y concretamente según una
función de rampa predeterminada; la función de rampa puede ser por
ejemplo de la siguiente manera:
Umin = (Ti -
Tnorm)/(Tmax - Tnorm) * \Delta U +
Umin0,
donde \DeltaU designan la
pendiente y Tmax la temperatura de funcionamiento permitida máxima
del
condensador.
Según esta asociación se aumenta por tanto la
tensión Umin mínima a medida que sube la temperatura Ti interna del
condensador, de modo que se limita la energía extraíble del
condensador. Si se produjera una subida adicional de la
temperatura, por ejemplo debido a una temperatura Ta inicial muy
elevada fuera del condensador 20, de modo que la temperatura Ti
interna del condensador 20 alcanzara o quedara por debajo de una
temperatura Tmax máxima predeterminada para el condensador,
entonces la tensión mínima se establece en un valor
Umin =
Umax
de modo que ya no puede extraerse
energía adicional del condensador 20. Para un desarrollo permanente
de la función de rampa, \DeltaU se selecciona preferiblemente de
la siguiente
manera:
\Delta U =
Umax -
Umin0
En cuanto Ua alcanza la tensión
U-min(Ti) o Umin mínima permitida en cada
caso, el dispositivo 60 de evaluación interrumpe la extracción
adicional de energía, cortando la corriente Ia de descarga del
condensador mediante el dispositivo 50 de conmutación. De este modo
a través de la resistencia Ri interna del condensador 20 no puede
aparecer ninguna caída más de tensión y por tanto tampoco puede
producirse un calentamiento adicional del condensador 20.
En la figura 2 se muestra otro ejemplo de
realización para un acumulador 10 de energía. Se observa que en
este ejemplo de realización el sensor 100 de temperatura está
dispuesto dentro del condensador 20 de doble capa y por tanto mide
directamente la temperatura Ti interna del condensador 20. El
dispositivo 40 de control puede recurrir por tanto directamente a
un valor de medición que indica la temperatura Ti interna y no tiene
que determinarlo indirectamente evaluando la tensión Ua inicial, la
corriente Ia inicial así como la temperatura Ta externa en el
entorno del condensador 20.
Por lo demás, el dispositivo 40 de control
funciona de manera análoga al dispositivo 40 de control según la
figura 1.
Claims (8)
1. Procedimiento para hacer funcionar un
condensador (20), especialmente como acumulador de energía para
vehículos ferroviarios, en el que
- para acumular energía se carga el condensador
(20), y concretamente como máximo hasta que alcanza una tensión
(Umax) máxima predeterminada, y
- para la extracción de energía se descarga el
condensador (20), aunque sólo hasta que queda una tensión (Umin)
mínima predeterminada,
- siendo la tensión mínima una magnitud
variable, que se ajusta en función de un valor de temperatura que
indica la temperatura (Ti) interna respectiva del condensador,
caracterizado porque la tensión mínima se
selecciona tanto más grande cuanto mayor sea el valor de
temperatura.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la tensión mínima se establece en el
valor de la tensión máxima, cuando la temperatura interna alcanza
un valor de temperatura máxima predeterminado para el
condensador.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque
- la tensión mínima se fija en un valor (Umin0)
estándar predeterminado de manera fija, siempre que el valor de
temperatura se encuentre por debajo de una temperatura (Tnorm) de
funcionamiento normal predeterminada, y
- con valores de temperatura por encima de la
temperatura de funcionamiento normal se aumenta la tensión mínima
según una función de subida predeterminada en función del valor de
temperatura.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque con valores de temperatura por encima de
la temperatura de funcionamiento normal se aumenta la tensión
mínima en función del valor de temperatura con una subida
lineal.
5. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque con valores de temperatura por encima de
la temperatura de funcionamiento normal se aumenta la tensión
mínima en función del valor de temperatura con una subida
cuadrática.
6. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque con valores de temperatura por encima
de la temperatura de funcionamiento normal se aumenta la tensión
mínima en función del valor de temperatura con una subida
exponencial.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el valor
estándar de la tensión mínima se establece en el 50% del valor de
la tensión máxima.
8. Acumulador (10) de energía con un condensador
(20) para acumular energía eléctrica y con un dispositivo (40) de
control conectado con el condensador (20), conteniendo el
dispositivo de control medios para cargar y descargar el
condensador según una de las reivindicaciones 1 a 7 anteriores.
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