ES2545630T3

ES2545630T3 - Dispositivo de carga de una batería de un vehículo automóvil a partir de una red de alimentación monofásica, y procedimiento de control del dispositivo

Info

Publication number: ES2545630T3
Application number: ES12722414.5T
Authority: ES
Inventors: Mehdi Gati; Pedro KVIESKA; Ahmed Ketfi-Cherif
Original assignee: Renault SA
Current assignee: Renault SA
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2015-09-14
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: US9469204B2; BR112013026406B1; US20170028855A1; JP6017536B2; WO2012140374A1; KR101882909B1; EP2697886B1; FR2974253B1; RU2587152C2; TWI547056B; KR20140034191A; US20140197788A1; BR112013026406A2; FR2974253A1; EP2697886A1; AR086013A1; JP2014517665A; RU2013150632A; CN103597704A; TW201249058A

Abstract

Dispositivo de carga de una batería (13), especialmente una batería de un vehículo automóvil de tracción eléctrica, a partir de una red de alimentación monofásica, que comprende una etapa de filtrado (2) destinada a su conexionado con la red monofásica, una etapa reductora de tensión (3) conexionada a la etapa de filtrado (2), una etapa elevadora de tensión (4) destinada a su conexionado con la batería (13) y acoplada a la etapa reductora de tensión (3) por intermedio de un componente inductivo (Ld) tal como una bobina inductora, una unidad reguladora (15) apta para imponer, a la etapa reductora de tensión (3) y a la etapa elevadora de tensión (4), factores de trabajo (a, as) de troceo, caracterizado por que la unidad reguladora (15) comprende medios de compensación del desfase entre la corriente de entrada (If) de la etapa reductora de tensión (3) y la tensión de entrada (Vc) de la etapa reductora de tensión (3), comprendiendo la unidad reguladora (15) un primer módulo controlador (16) apto para determinar en lazo abierto un factor de trabajo (a) de troceo de la etapa reductora de tensión (3) en función de la tensión (Ve) de la red de alimentación monofásica, de una potencia de consigna (Pbat ref) y de la intensidad (Id) de la corriente que circula por el componente inductivo (Ld), para compensar el desfase entre la corriente de entrada (If) de la etapa reductora de tensión (3) y la tensión de entrada (Vc) de la etapa reductora de tensión (3), y regular la potencia (Pbat) recibida por la batería a la potencia de consigna (Pbat ref), comprendiendo la unidad reguladora (15) un segundo módulo controlador (17) apto para determinar un factor de trabajo (as) de troceo de la etapa elevadora de tensión (4) en función de la tensión (Vkn) en la salida de la etapa reductora de tensión (3), de la tensión (Vbat) de la batería (13) y de la diferencia entre la intensidad de inducción de consigna (Idref) y la intensidad (ld) de la corriente que circula por el componente inductivo (Ld), para regular en lazo cerrado la intensidad (Ibat) de la corriente que circula por la batería (13).

Description

15

25

35

45

55

65

E12722414

18-08-2015

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de carga de una batería de un vehículo automóvil a partir de una red de alimentación monofásica, y procedimiento de control del dispositivo

La invención se refiere a un dispositivo de carga de batería de alta tensión, especialmente de un vehículo automóvil de tracción eléctrica, a partir de una red de alimentación monofásica.

En sistemas de recarga de batería de alta tensión, la potencia eléctrica de la red se hace llegar a la batería sucesivamente a través de dos convertidores: un reductor de tensión (“buck”) y un elevador de tensión (“boost”). Estos dos convertidores permiten, respectivamente, rebajar y elevar la relación de tensiones entre su borne de salida y su borne de entrada, abriendo y cerrando sucesivamente una serie de interruptores, a una frecuencia que está gobernada en función de la corriente de salida y/o de la tensión de salida deseada.

Tales sistemas de recarga están descritos, por ejemplo, en la solicitud de patente FR2943188, que trata de un sistema de recarga embarcado para vehículo automóvil, que permite una recarga, a partir de un circuito trifásico o monofásico, de una batería del vehículo, integrando el circuito de recarga las bobinas de una máquina eléctrica que por otro lado asume otras funciones, tal como la generación de corriente o la propulsión del vehículo.

Otro sistema de carga se encuentra descrito en el documento US20070153560. Este sistema de carga comprende en cascada una etapa de filtrado de entrada, una etapa rectificadora, una etapa boost y una etapa reductora de tensión.

El documento FR2937803 describe un sistema de carga para batería de vehículo eléctrico, que comprende una etapa rectificadora seguida de una etapa de filtrado y de un troceador de continua / elevador que reproduce elementos de la cadena de tracción, en particular el ondulador de tracción y los devanados estatóricos del motor eléctrico de tracción del vehículo. La etapa rectificadora va seguida ocasionalmente de una etapa reductora / elevadora en el caso de una red de alimentación de 220 V.

El troceo de la corriente absorbida de la red de alimentación induce componentes de alta frecuencia en la corriente tomada, es decir, armónicos de orden superior al fundamental de la red de distribución, que convencionalmente está a 50 Hz.

Por la imposición normativa del distribuidor de electricidad sobre los armónicos de la corriente tomada, tal sistema de recarga incluye asimismo un filtro de tipo RLC (Resistivo-Inductivo-Capacitivo) en la entrada del reductor de tensión. Este filtro induce un desfase entre la corriente y la tensión tomadas de la red. Este desfase conlleva una potencia reactiva que transita por la red, pero no tomada por el usuario, y que igualmente se pretende minimizar.

Por otro lado, las redes de alimentación domiciliarias son principalmente redes de alimentación monofásicas. Un vehículo que comprende un dispositivo de recarga de batería a partir de una alimentación monofásica puede ser recargado de este modo en una red de alimentación domiciliaria, por ejemplo en el garaje o el aparcamiento de un particular.

Una recarga a partir de una red de alimentación monofásica presenta algunas singularidades. Dependiendo de su topología, no es posible poner en fase la corriente de entrada con la tensión de la red. Por otro lado, cuando la tensión sinusoidal de entrada se acerca a cero, el sistema se hace momentáneamente ingobernable, cosa que no es muy molesta cuando la inductancia de almacenamiento de la máquina eléctrica entre el reductor de tensión y el elevador de tensión es elevada, pues la corriente por la inductancia no tiene entonces tiempo para caer, pero presenta el inconveniente de un considerable volumen de esta inductancia.

Además, para que el flujo de potencia pueda establecerse de manera continua, debe circular una corriente no nula por la inductancia de almacenamiento de la máquina eléctrica entre el reductor de tensión y el elevador de tensión.

Es objetivo de la invención proponer un dispositivo regulador del reductor de tensión y del elevador de tensión de un dispositivo de recarga de este tipo, que permita, pese a la presencia de un filtro RLC a la entrada del dispositivo, conservar un reducido desfase entre la corriente y la tensión tomadas de la red de alimentación monofásica.

Es otra finalidad de la invención proponer un dispositivo de recarga embarcado para un vehículo automóvil, que, adaptado para poder conectarse a una red de alimentación monofásica exterior, integra en su circuito el devanado de una máquina eléctrica del vehículo.

Según un aspecto, se propone, en una forma de realización, un dispositivo de carga de una batería, especialmente de una batería de un vehículo automóvil de tracción eléctrica, a partir de una red de alimentación monofásica, que comprende una etapa de filtrado destinada a su conexionado a la red monofásica, una etapa reductora de tensión conexionada a la etapa de filtrado, una etapa elevadora de tensión destinada a su conexionado a la batería y

15

25

35

45

55

65

E12722414

18-08-2015

acoplada a la etapa reductora de tensión por intermedio de un componente inductivo tal como una bobina inductora, una unidad reguladora apta para imponer, a la etapa reductora de tensión y a la etapa elevadora de tensión, factores de trabajo de troceo.

Según una característica general, la unidad reguladora comprende medios de compensación del desfase entre la corriente de entrada de la etapa reductora de tensión y la tensión de entrada de la etapa reductora de tensión.

Ventajosamente, la unidad reguladora comprende un primer módulo controlador apto para determinar en lazo abierto un factor de trabajo de troceo de la etapa reductora de tensión en función de la tensión de la red de alimentación monofásica, de una potencia de consigna y de la intensidad de la corriente que circula por la bobina de inducción, para compensar el desfase entre la corriente de entrada de la etapa reductora de tensión y la tensión de entrada de la etapa reductora de tensión, y regular la potencia recibida por la batería a la potencia de consigna.

El primer módulo controlador puede comprender ventajosamente una cartografía que entrega la amplitud de la corriente de entrada de la etapa reductora de tensión en función de la amplitud de la tensión de entrada y de la potencia de consigna.

La unidad reguladora comprende un segundo módulo controlador apto para determinar un factor de trabajo de troceo de la etapa elevadora de tensión en función de la tensión en la salida de la etapa reductora de tensión, de la tensión de la batería y de la diferencia entre la intensidad de inducción de consigna y la intensidad de la corriente que circula por la bobina inductora, para regular en lazo cerrado la intensidad de la corriente que circula por la batería.

La intensidad de inducción de consigna es preferentemente siempre superior a la intensidad que circula por la batería y a la intensidad que circula por la bobina inductora.

Ventajosamente, el segundo módulo controlador comprende un corrector de tipo proporcional integral al que se envía la diferencia entre la intensidad de la corriente que circula por la bobina de inductancia y la intensidad de inductancia de consigna, y un medio anti-embalamiento configurado para desactivar la parte integrante del corrector si el factor de trabajo de troceo determinado por el segundo módulo es igual, con un margen de diferencia de una distancia umbral, a los valores “0” ó “1”.

De acuerdo con otro aspecto, se propone un vehículo automóvil de tracción al menos parcialmente eléctrica, que comprende una máquina eléctrica acoplada a unas ruedas motrices y una etapa onduladora apta para alimentar la máquina eléctrica.

Según una característica general, dicho vehículo comprende un dispositivo de carga de una batería a partir de una red monofásica tal y como se ha descrito anteriormente, quedando comprendidos en la etapa onduladora las conexiones eléctricas y un interruptor de la etapa elevadora de tensión de dicho dispositivo, y correspondiéndose la bobina inductora de dicho dispositivo con los devanados de dicha máquina eléctrica.

De acuerdo con otro aspecto, se propone, en un modo de puesta en práctica, un procedimiento de control de carga de una batería, especialmente de una batería de un vehículo automóvil, a partir de una red monofásica, en el que se filtra la tensión de entrada, se hace llegar la potencia eléctrica de la red a la batería por intermedio de una etapa reductora de tensión y una etapa elevadora de tensión acoplada por intermedio de un componente inductivo, tal como una bobina inductora.

De acuerdo con una característica general, se compensa el desfase entre la corriente de entrada de la etapa reductora de tensión y la tensión de entrada de la etapa reductora de tensión.

Preferentemente, se controla la corriente de entrada de la etapa reductora de tensión, gobernando en lazo abierto un factor de trabajo de troceo de la etapa reductora de tensión en función de la tensión de la red de alimentación monofásica, de una potencia de consigna y de la intensidad de la corriente que circula por la bobina inductora, para compensar el desfase entre la corriente de entrada de la etapa reductora de tensión y la tensión de entrada de la etapa reductora de tensión y regular la potencia recibida por la batería a la potencia de consigna.

Se puede asimismo controlar la intensidad de la corriente que circula por la batería a una intensidad de batería de referencia, gobernando en lazo cerrado un factor de trabajo de troceo de la etapa elevadora de tensión en función de la tensión en la salida de la etapa reductora de tensión, de la tensión de la batería y de la diferencia entre la intensidad de inducción de consigna y la intensidad de la corriente que circula por la bobina inductora.

Ventajosamente, se puede desactivar la parte integrante de un corrector de tipo proporcional integral si el factor de trabajo de troceo es igual, con un margen de diferencia de una distancia umbral, a los valores “0” ó “1”.

Otras ventajas y características de la invención se irán poniendo de manifiesto con la detenida observación de la

15

25

35

45

55

65

E12722414

18-08-2015

descripción detallada de una forma de realización de la invención, en modo alguno limitativa, y de los dibujos que se acompañan, en los cuales:

-: La figura 1 ilustra un dispositivo de recarga según una forma de realización de la invención;

-: las figuras 2a y 2b ilustran respectivamente una primera y una segunda formas de realización de un primer módulo controlador;

-: la figura 3 presenta de manera esquemática una forma de realización de un segundo módulo controlador; y

-: la figura 4 presenta una representación gráfica de la corriente que circula por la bobina inductiva.

En la figura 1, se presenta de manera esquemática un dispositivo de carga de una batería de un vehículo automóvil de tracción eléctrica a partir de una red de alimentación monofásica, de acuerdo con una forma de realización.

El dispositivo de recarga 1 comprende una etapa de filtrado 2, una etapa reductora de tensión 3, acoplada a la etapa de filtrado 2, y una etapa elevadora de tensión 4, acoplada a la etapa reductora de tensión 3 por intermedio de una máquina eléctrica 5.

El dispositivo 1, que puede estar acoplado a una alimentación tanto trifásica como monofásica, comprende tres bornes B1, B2, B3 acoplados a la entrada de la etapa de filtrado 2 y aptos para ser acoplados a una red de alimentación. En recarga monofásica, solo las entradas B1 y B2 van acopladas a una red de alimentación monofásica que entrega una tensión de entrada Ve y una corriente de entrada Ie.

Cada borne de entrada B1, B2 y B3 se acopla a una rama de filtrado de la etapa de filtrado 2. Cada rama de filtrado comprende dos ramas en paralelo, portadora, una de ellas, de una inductancia de valor L2 y portadora la otra, en serie, de una inductancia de valor L1 y de una resistencia de valor R.

Estas das ramas de filtrado están acopladas cada una de ellas a la salida de un condensador de capacidad C asimismo acoplado a masa, en un punto designado respectivamente D1, D2, D3 para cada una de las ramas de filtrado. El conjunto de las resistencias de valores R, de las inductancias de valores L1 o L2 y de los condensadores de capacidad C constituye un filtro de tipo RLC en la entrada del reductor de tensión 3.

En recarga monofásica, el borne B3 no está acoplado a la red de alimentación. La rama de filtrado acoplada al borne B3, al no utilizarse, no se considerará más adelante en la descripción y se ha representado en trazo discontinuo. Los demás elementos del circuito eléctrico representados en trazo discontinuo son elementos que tan sólo se utilizan en el contexto de un acoplamiento a una red de alimentación trifásica.

La etapa reductora de tensión 3 está acoplada a la etapa de filtrado 2 mediante los puntos D1 y D2. El reductor de tensión 3, en funcionamiento con una alimentación monofásica, comprende dos ramas paralelas 6 y 7, portadoras cada una de ellas de dos interruptores S1 y S2 gobernados por una unidad reguladora 15.

Cada entrada D1 ó D2 del reductor de tensión está conectada, respectivamente mediante una rama F1 y F2, a un punto de conexión situado entre dos interruptores S1 ó S2 de una misma rama 6 y 7 respectivamente.

Los extremos comunes de las ramas 6 y 7 constituyen dos bornes de salida del reductor de tensión 3. Uno de los bornes está unido al borne «−» de la batería 13 así como a una primera entrada 10 de un elevador de tensión 4. El otro de estos bornes está conectado a un primer borne de una máquina eléctrica 5, cuyo otro borne está conectado a una segunda entrada 11 del elevador de tensión 4.

El elevador de tensión 4 comprende dos interruptores S4 y S5 aptos para ser pilotados de manera independiente por la unidad reguladora 15. Estos dos interruptores S4 y S5 están situados en una rama que une la primera entrada 10 del elevador de tensión 4 y el borne «+» de la batería 13. La segunda entrada 11 del elevador de tensión 4, a la que se conecta la máquina eléctrica 5, está conectada entre los dos interruptores S4 y S5, estando acoplado el interruptor S4 entre la segunda entrada 11 y el borne «+» de la batería 13, estando acoplado el interruptor S5 entre la primera entrada 10 y la segunda entrada 11.

Entre el borne de salida del reductor de tensión 3 y la segunda entrada 11 del elevador de tensión 4, está conectada una máquina eléctrica 5, equiparable a una resistencia de valor Rd dispuesta en serie con una bobina de inductancia Ld. Se puede sustituir la máquina eléctrica 5 por una bobina de inductancia no resistiva, o conectar en serie con la máquina eléctrica 5 una bobina de inductancia suplementaria, sin salirse del ámbito de la invención.

Entre los bornes de la batería 13, está conectado un condensador 12 destinado a mantener relativamente estable la tensión en bornes de la batería 13, así como un módulo de seguimiento de carga 19 de la batería, apto para entregar un valor de consigna Ibatref que refleja, en función del nivel de carga de la batería, la intensidad óptima de corriente a la que se debe dar entrada por el borne «+» de la batería 13. El módulo de seguimiento de carga 19 transmite el valor de consigna Ibatref a la unidad reguladora 15 mediante una conexión específica.

15

25

35

45

55

65

E12722414

18-08-2015

Unos medios de medida, integrados o no en el módulo 19, transmiten, por otra parte, a la unidad reguladora 15, un valor Ibat que refleja una intensidad de corriente medida realmente entrante en la batería, y un valor Vbat que refleja la tensión entre el borne «−» y el borne «+» de la batería 13.

Otros módulos de medida de intensidad de corriente permiten medir y transmitir a la unidad reguladora 15 el valor Id de corriente que circula por la máquina eléctrica 5, el valor le de intensidad de corriente de la red de alimentación entrante a la etapa de filtrado 2 y el valor Ve de tensión de entrada de alimentación de la red.

La unidad reguladora 15 comprende un primer módulo controlador 16 que permite determinar el factor de trabajo a de troceo de la etapa reductora de tensión 3 y un segundo módulo controlador 17 que permite determinar una consigna de factor de trabajo as de troceo de la etapa elevadora de tensión 4.

La unidad reguladora 15 comprende al efecto dos módulos controladores (no representados), apto el primero para imponer a cada uno de los interruptores del reductor de tensión 3 un patrón temporal de apertura y de cierre, en orden a obtener el factor de trabajo a de troceo de la etapa reductora de tensión 3, y apto el segundo para imponer a cada uno de los interruptores S4 y S5 del elevador de tensión 4 un patrón temporal de apertura y de cierre, en orden a obtener el factor de trabajo as.

Los interruptores son, preferentemente, transistores que permiten una conmutación rápida, por ejemplo transistores de tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

En el caso de una utilización únicamente en monofásica, el interruptor S4 dispuesto entre la segunda entrada 11 del elevador de tensión 4 y el borne «+» de la batería 13 permanece constantemente cerrado, por lo que puede ser sustituido por un diodo conductor en un sentido de circulación que va de dicha segunda entrada 11 al borne «+» de la batería 13. En el caso en que el dispositivo 1 puede ser acoplado tanto a una red de alimentación monofásica como a una red de alimentación trifásica, se puede acoplar un diodo en paralelo con el interruptor S4 acoplado entre dicha segunda entrada 11 y el borne «+» de la batería 13, siendo conductor el diodo en un sentido de circulación que va de dicha segunda entrada 11 al borne «+» de la batería 13.

Para evaluar los factores de trabajo a y as, la unidad reguladora 15 recibe a su entrada los valores de la tensión Ve de alimentación de la red, de la intensidad Id de la corriente que circula por la máquina eléctrica 5, de la tensión Vbat que circula por la batería 13, la intensidad Ibat de la corriente que circula por la batería 13 y la intensidad de batería de referencia Ibatref entregada por el módulo de seguimiento de carga 19.

A título indicativo, los valores característicos de los elementos eléctricos del dispositivo de carga 1 se encuentran dentro de los siguientes márgenes de valores:

-las capacidades del filtro 2 representan unos cientos de μF, por ejemplo entre 100 y 500 μF cada una de ellas, -la capacidad 12 dispuesta entre los bornes de la batería 13 con el fin de estabilizar la tensión de los bornes es del orden del mF, por ejemplo entre 1 y 10 mF, -las resistencias de valores R del circuito de filtrado 2 son del orden del ohmio, por ejemplo entre 1 y 10 Ω, -la resistencia Rd del rotor de la máquina eléctrica Me es del orden de algunas decenas de mΩ, por ejemplo entre 0,01 Ω y 0,1 Ω, -las inductancias L1, L2, Ld respectivamente correspondientes a las inductancias de la etapa de filtrado 2 y al devanado de la máquina eléctrica 5 tienen valores del orden de algunas decenas de μH, por ejemplo valores comprendidos entre 10 μH y 100 μH.

La unidad reguladora, con ayuda del primer módulo controlador 16 y del segundo módulo 17, elabora valores de consigna de factor de trabajo a y as de troceo para el reductor de tensión 3 y para el elevador de tensión 4, que permiten cumplir tres objetivos:

-supervisar la amplitud de la corriente If de entrada de la etapa reductora de tensión 3 y hacer que esta corriente If esté en fase con la tensión Ve de entrada (esta supervisión trae por consecuencia el minimizar el desfase entre la corriente If de entrada de la etapa reductora de tensión 3 y la tensión Vc de entrada de la etapa reductora de tensión 3), lo cual equivale a regular la potencia absorbida en adecuación a la red de alimentación, -obtener una corriente medida entrante Ibat por el borne «+» de la batería 13 correspondiente a las necesidades de alimentación de la batería 13, necesidades estas que son determinadas por el módulo de seguimiento de carga 19 y entregadas como función Ibatref a la unidad reguladora 15, -evitar una anulación de la corriente Id que transita a través de la bobina inductora Ld de la máquina eléctrica 5 con el fin de no generar armónicos indeseables en la corriente tomada de la red.

Al ser despreciable la caída de tensión en la etapa de filtrado 2 para el margen de potencia de la utilización, no es necesario describir las ecuaciones del filtro de entrada.

E12722414

18-08-2015

Se considera que la tensión Vc en la entrada de la etapa reductora de tensión 3 es igual a la tensión de entrada Ve de la red de alimentación.

5 La tensión de salida Vkn de la etapa reductora de tensión 3 es igual a a·Ve. Al ser igual a a·Ve, podemos escribir la ecuación de la rama portadora de la máquina eléctrica 5 de la forma:

Rd  Id  Ld  s  Id  a Ve  a V (ecuación 1)

s bat

d

10 donde s representa el operador de derivación respecto al tiempo “t”, esto es,  s ,dt

a representa el factor de trabajo de troceo de la etapa reductora de tensión 3, as, el factor de trabajo de la etapa elevadora de tensión 4.

15 El factor de trabajo a de troceo de la etapa reductora de tensión 3 puede escribirse asimismo a = If/Id, siendo If la corriente de entrada en la etapa elevadora de tensión 3, y el factor de trabajo as de troceo de la etapa elevadora de tensión 4 viene dado por as = Ibat/Id.

Por lo tanto, la ecuación (1) puede escribirse asimismo de la forma:

20

Rd  Id  Ld  s  Id If Ve  I V /Id (ecuación 2)

bat bat

o también:

2 Ld 2

25 Rd  Id  s  Id  If Ve  I V (ecuación 3)

bat bat

2

A tenor de la ecuación 3, se puede utilizar por tanto la intensidad If de la corriente de entrada de la etapa reductora de tensión 3 como variable de control para regular la corriente Id que circula por la máquina eléctrica 5 a un valor de consigna Idref que estará elaborado en orden a no permitir la anulación de la corriente en la bobina de

30 inductancia Ld.

Cuando la tensión de entrada Ve se acerca a cero, el sistema, aunque esté regulado, se hace ingobernable. A tenor de las ecuaciones, durante estas fases de ingobernabilidad, la corriente Id en la bobina Ld de la máquina eléctrica 5 no puede sino disminuir, tal y como se ilustra en la figura 4.

35 Dividiendo el valor de la intensidad If de la corriente de entrada de la etapa reductora de tensión 3 por el valor de la intensidad Id de la corriente medida a través de la máquina eléctrica 5, se obtiene por definición el valor del factor de trabajo a de troceo de la etapa reductora de tensión 3. El pilotaje de la etapa reductora de tensión 3, con ayuda de la consigna de factor de trabajo a de troceo, permite regular la corriente Ie de alimentación de la red en una referencia

40 nula, con el fin de anular el desfase entre la corriente y la tensión a la entrada de la etapa reductora de tensión 3, y regular la corriente Id que circula por la máquina eléctrica 5 al valor de consigna deseado, esto es, la intensidad de inducción de consigna Idref.

La tensión de entrada Vc de la etapa reductora de tensión 3, igual a la tensión de entrada Ve de la red de 45 alimentación, es de la forma Vc = Ve = Vm sin(ωt).

El control asegura que If esté en fase con la tensión de entrada. La corriente de entrada Ie viene dada por Ie = If + Ic, es decir, Ie = Ifm sin(ωt) + C/2 Vm cos(ωt).

50 Por lo tanto, la corriente If es un fiel reflejo de la potencia activa tomada de la red. Esta última viene dada por la relación Pactiva = Ifm Vm/2, donde Ifm = 2 Pactiva/Vm.

Si se controla la corriente de entrada Ie mediante la corriente If de entrada de la etapa reductora de tensión 3 para anular el desfase, y se controla la corriente Id que circula por la máquina eléctrica 5 mediante la corriente If de

55 entrada de la etapa del reductor de tensión 3 para evitar la anulación de corriente en la bobina Ld de la máquina eléctrica 5, queda por cumplir entonces el tercer objetivo del control efectuado por la unidad reguladora 15, relativo a la regulación de la corriente entrante en la batería Ibat al valor de consigna Ibatref entregado por el módulo de seguimiento de carga 19.

60 Para ello, se puede, por ejemplo, imponer al elevador de tensión un factor de trabajo as de troceo en orden a cumplir

15

25

35

45

55

E12722414

18-08-2015

con la relación as = Ibatref/Id.

La relación que refleja la dinámica de la corriente a través de la máquina eléctrica 5, dada por la ecuación (1), relaciona directamente el factor de trabajo as de la etapa elevadora 4 y la corriente Id que circula por la máquina eléctrica 5.

E posible, por tanto, pilotar as directamente a partir del error entre un valor de referencia Idref y el valor medido Id que circula por la máquina eléctrica 5.

En la figura 2a se representa de manera esquemática una primera forma de realización del primer módulo controlador 16. El primer módulo controlador comprende un control en lazo abierto de la corriente de entrada If de la etapa reductora de tensión 3. El control de la corriente de entrada If de la etapa reductora de tensión 3 se realiza calculando el factor de trabajo a de troceo del reductor de tensión 3.

El factor de trabajo a de troceo de la etapa reductora de tensión 3 se determina en función de la potencia de consigna Pbat ref, determinada a partir de la tensión de la batería Vbat y de la intensidad de batería de consigna Ibatref, de la tensión de entrada Ve de la red de alimentación monofásica y de la intensidad Id de la corriente que circula por la bobina inductora Ld.

El primer módulo controlador 16 recibe en una primera entrada la consigna de intensidad de batería Ibatref así como, en una segunda entrada, la tensión medida en bornes de la batería Vbat. La intensidad de consigna de la batería Ibatref y la tensión Vbat de la batería son entregadas a la entrada de un primer multiplicador 21, el cual entrega entonces a su salida la potencia de consigna Pbatref.

En una tercera entrada, el módulo controlador 16 recibe la tensión de entrada Ve de la red de alimentación. El módulo 16 comprende un analizador de señal 22 que permite extraer la señal de amplitud normalizada Vm proporcional a la tensión de entrada Ve de la red de alimentación monofásica. La señal de amplitud Vm se entrega a un primer inversor 23 que entrega a su salida la inversa de la amplitud Vm. La inversa Vm de esta amplitud se entrega a un segundo multiplicador 24 que también recibe a su entrada la potencia de consigna Pbatref.

El segundo multiplicador 24 entrega entonces en su salida la amplitud Ifm de la corriente de entrada de la etapa reductora de tensión 3 a un tercer multiplicador 25, que también recibe a su entrada la señal de fase sin(ωt) de la tensión de entrada Ve de la red de alimentación monofásica.

El tercer multiplicador 25 entrega entonces en su salida la corriente If de entrada de la etapa reductora de tensión 3, al segundo módulo controlador 17, por una parte y, por otra, a un cuarto multiplicador 26. El módulo 16 recibe en una cuarta entrada el valor Id de la intensidad de la corriente que circula por la bobina Ld de la máquina eléctrica 5. El valor Id de la corriente que circula por la bobina Ld se entrega a un segundo inversor 27 que entrega en su salida, al cuarto multiplicador 26, la inversa de la intensidad Id de la corriente que circula por la bobina Ld.

El cuarto multiplicador 26 efectúa entonces el cálculo If/Id y entrega a su salida el valor del factor de trabajo a de troceo de la etapa reductora de tensión 3, que permite la regulación de la corriente de entrada If de la etapa de reductor de tensión 3.

En la figura 2b, se ilustra una segunda forma de realización del primer módulo controlador 16.

En este módulo 16, el segundo multiplicador 24 se ha sustituido por una cartografía 28 que entrega la amplitud Ifm de la corriente de entrada If de la etapa reductora de tensión 3 en función de la amplitud Vm de la tensión de entrada Ve y de la potencia de consigna Pbatref.

La figura 3 ilustra una forma de realización del segundo módulo controlador 17.

En el dispositivo de carga 1, el control de la corriente Ibat que circula por la batería 13 está gobernado por la etapa elevadora de tensión 4. En efecto, la corriente Ibat de la batería viene dada por la relación Ibat = asId.

Así, para regular la corriente Ibat por la batería 13 a su valor de referencia, basta plantear as = Ibatref/Id.

Cabe también la posibilidad de añadir un lazo de corrección si está disponible la medida de corriente de la batería. En tal caso, se obtiene:

1 ref ref

a  I  I  I  (ecuación 4)

s bat batt bat

Id

donde α es un parámetro de ajuste.

15

25

35

45

55

65

E12722414

18-08-2015

El segundo módulo controlador 17 comprende un control en lazo cerrado de la intensidad Id de la corriente que circula por la bobina inductora Ld de la máquina eléctrica 5.

El segundo módulo controlador 17 recibe en una primera entrada un valor Ie de la intensidad de entrada de la red de alimentación. Este valor Ie de intensidad se entrega a un módulo 31 que determina el valor de la intensidad de inducción de consigna Idref. El segundo módulo controlador 17 recibe en una segunda entrada el valor Id de la intensidad que circula por la bobina Ld de la máquina eléctrica 5. El valor Id de la intensidad se entrega a una entrada negativa de un primer restador 32 que, en una entrada positiva, recibe el valor Idref de la intensidad de inducción de consigna.

El primer restador 32 entrega entonces en su salida, a un corrector 30 de tipo proporcional integral, la diferencia entre la intensidad Id de la corriente que circula por la bobina de inductancia Ld y la intensidad de inductancia de consigna Idref.

El corrector proporcional integral 30 comprende dos ramas en paralelo, de las cuales una primera incluye un módulo de corrección proporcional Kp y una segunda incluye un módulo de corrección integral Ki y un módulo de integración i.

El segundo módulo controlador 17 recibe en una tercera entrada el valor If de la intensidad de la corriente a la entrada de la etapa reductora de tensión 3 entregado por el primer módulo controlador 16. La intensidad If se entrega a un primer multiplicador 33, que también recibe a su entrada la tensión de entrada Ve de la red monofásica, recibida en una cuarta entrada del segundo módulo controlador 17.

El primer multiplicador 33 entrega así a su salida un valor Pactiva de la potencia activa. Este valor Pactiva se entrega a la entrada de un segundo multiplicador 34, que también recibe a su entrada la inversa de la corriente Id, corriente Id que previamente se ha entregado a un primer inversor 35.

El segundo multiplicador 34 realiza el cálculo Pactiva/Id y entrega a su salida un valor Vkn de la tensión de salida de la etapa reductora de tensión 3. La tensión Vkn de la etapa reductora de tensión 3 se entrega a una entrada positiva de un segundo restador 36 que recibe en una entrada negativa la salida del corrector proporcional integral 30.

El segundo restador 36 entrega entonces en su salida la suma de la diferencia entre la intensidad Id de la corriente que circula por la bobina de inductancia Ld y la intensidad de inductancia de consigna Idref corregida por el corrector proporcional integral 30, con la tensión Vkn de salida de la etapa reductora de tensión 3 presente en la entrada de un tercer multiplicador 37. El tercer multiplicador 37 también recibe a su entrada la inversa de la tensión de batería Vbat, tensión de batería Vbat que ha sido recibida en una quinta entrada del segundo módulo controlador 17 y entregada previamente a un segundo inversor 38.

El tercer multiplicador 37 entrega entonces a su salida el valor de consigna del factor de trabajo as de troceo de la etapa elevadora de tensión 4.

El segundo módulo controlador 17 comprende asimismo un lazo de realimentación entre la salida del tercer multiplicador 37 y la entrada de la rama del corrector proporcional integral 30 que comprende el módulo de corrección integral Ki.

Si el valor del factor de trabajo as de troceo de la etapa elevadora de tensión 4 es igual a 0 ó 1, dentro del margen de un umbral, se desactiva la rama de corrección integral.

Este lazo de realimentación se corresponde con una técnica de anti-embalamiento utilizada para mitigar la ingobernabilidad del dispositivo cuando la tensión de entrada Ve se acerca a cero. En efecto, en fases de ingobernabilidad, el control queda saturado, es decir, los factores de trabajo de los interruptores, o transistores IGBT, están a 1, mientras que aquel no es capaz de disminuir la desviación. Para evitar que este error siga siendo integrado, se utiliza el lazo de realimentación. De esta manera, tan pronto como el dispositivo es gobernable, se devuelve la corriente Id que circula por la bobina Ld de la máquina eléctrica 5 al valor de referencia Idref.

La utilización de este lazo de realimentación permite gobernar asimismo un sistema que posee una bobina Ld con muy escasa inductancia. La utilización de una bobina de escasa inductancia permite reducir el volumen del cargador.

La invención permite proveer un dispositivo de carga embarcado para un vehículo automóvil, adaptado para poder ser conectado a una red de alimentación monofásica exterior, que integra en su circuito el devanado de una máquina eléctrica del vehículo, y que permite controlar el reductor de tensión y el elevador de tensión al objeto de conservar un reducido desfase entre la corriente y la tensión tomadas de la red de alimentación monofásica.

Claims

5

15

25

35

45

55

65

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de carga de una batería (13), especialmente una batería de un vehículo automóvil de tracción eléctrica, a partir de una red de alimentación monofásica, que comprende una etapa de filtrado (2) destinada a su conexionado con la red monofásica, una etapa reductora de tensión (3) conexionada a la etapa de filtrado (2), una etapa elevadora de tensión (4) destinada a su conexionado con la batería (13) y acoplada a la etapa reductora de tensión (3) por intermedio de un componente inductivo (Ld) tal como una bobina inductora, una unidad reguladora

(15) apta para imponer, a la etapa reductora de tensión (3) y a la etapa elevadora de tensión (4), factores de trabajo (a, as) de troceo, caracterizado por que la unidad reguladora (15) comprende medios de compensación del desfase entre la corriente de entrada (If) de la etapa reductora de tensión (3) y la tensión de entrada (Vc) de la etapa reductora de tensión (3), comprendiendo la unidad reguladora (15) un primer módulo controlador (16) apto para determinar en lazo abierto un factor de trabajo (a) de troceo de la etapa reductora de tensión (3) en función de la tensión (Ve) de la red de alimentación monofásica, de una potencia de consigna (Pbatref) y de la intensidad (Id) de la corriente que circula por el componente inductivo (Ld), para compensar el desfase entre la corriente de entrada (If) de la etapa reductora de tensión (3) y la tensión de entrada (Vc) de la etapa reductora de tensión (3), y regular la potencia (Pbat) recibida por

ref),

la batería a la potencia de consigna (Pbat comprendiendo la unidad reguladora (15) un segundo módulo controlador (17) apto para determinar un factor de trabajo (as) de troceo de la etapa elevadora de tensión (4) en función de la tensión (Vkn) en la salida de la etapa reductora de tensión (3), de la tensión (Vbat) de la batería (13) y de la diferencia entre la intensidad de inducción de consigna (Idref) y la intensidad (ld) de la corriente que circula por el componente inductivo (Ld), para regular en lazo cerrado la intensidad (Ibat) de la corriente que circula por la batería (13).
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el primer módulo controlador (16) comprende una cartografía que entrega la amplitud (Ifm) de la corriente de entrada (If) de la etapa reductora de tensión (3) en función de la amplitud

ref).

(Vm) de la tensión de entrada (Ve) y de la potencia de consigna (Pbat
3.

Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, en el que la intensidad de inducción de consigna (Idref) siempre es superior a la intensidad (Ibat) que circula por la batería (13) y a la intensidad (Id) que circula por el componente inductivo (Ld).
4.

Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el segundo módulo controlador (17) comprende un corrector de tipo proporcional integral (30) al que se envía la diferencia entre la intensidad (Id) de la corriente que circula por el componente inductivo (Ld) y la intensidad de inductancia de consigna (Idref), y un medio anti-embalamiento configurado para desactivar la parte integrante del corrector (30) si el factor de trabajo (as) de troceo determinado por el segundo módulo (17) es igual, con un margen de diferencia de una distancia umbral, a los valores 0 ó 1.
5.

Vehículo automóvil de tracción al menos parcialmente eléctrica, que comprende una máquina eléctrica (5) acoplada a unas ruedas motrices y una etapa onduladora apta para alimentar la máquina eléctrica (5), caracterizado por que comprende un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, quedando comprendidos en la etapa onduladora las conexiones eléctricas y un interruptor de la etapa elevadora de tensión (4) de dicho dispositivo, y correspondiéndose el componente inductivo (Ld) de dicho dispositivo con los devanados de dicha máquina eléctrica (5).
6.

Procedimiento de control de carga de una batería (13), especialmente de una batería de un vehículo automóvil, a partir de una red monofásica, en el que se filtra la tensión de entrada (Ve), se hace llegar la potencia eléctrica de la red a la batería por intermedio de una etapa reductora de tensión (3) y una etapa elevadora de tensión (4) acoplada por intermedio de un componente inductivo (Ld) tal como una bobina inductora, caracterizado por que se compensa el desfase entre la corriente de entrada (If) de la etapa reductora de tensión (3) y la tensión de entrada (Vc) de la etapa reductora de tensión (3), se controla la corriente de entrada (If) de la etapa reductora de tensión (3) gobernando en lazo abierto un factor de trabajo (a) de troceo de la etapa reductora de tensión (3) en función de la tensión (Ve) de la red de alimentación monofásica, de una potencia de consigna (Pbatref) y de la intensidad (Id) de la corriente que circula por el componente inductivo (Ld) para compensar el desfase entre la corriente de entrada (If) de la etapa reductora de tensión (3) y la tensión de entrada (Vc) de la etapa reductora de tensión (3), y regular la potencia (Pbat) recibida por la batería a la

ref),

potencia de consigna (Pbat y se controla la intensidad (Ibat) de la corriente que circula por la batería (13) a una intensidad de batería de referencia (Ibatref) gobernando en lazo cerrado un factor de trabajo (as) de troceo de la etapa elevadora de tensión (4) en función de la tensión (Vkn) en la salida de la etapa reductora de tensión (3), de la tensión (Vbat) de la batería (13) y de la diferencia entre la intensidad de inducción de consigna (Idref) y la intensidad (Id) de la corriente que circula por el componente inductivo (Ld).
7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que se desactiva la parte integrante de un corrector de tipo proporcional integral si el factor de trabajo (as) de troceo es igual, con un margen de diferencia de una distancia

9

umbral, a los valores 0 ó 1.

10