BR102013014032B1

BR102013014032B1 - Aparelho de acionamento elétrico

Info

Publication number: BR102013014032B1
Application number: BR102013014032-5A
Authority: BR
Inventors: Robert Dean King; Meng Zhu; Ruediger Soeren Kusch
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2022-04-26
Also published as: BR102013014032A2; CN103490460B; EP2672600A2; CN103490460A; JP6659203B2; JP2013255416A; EP2672600A3; US9013168B2; US20130328539A1

Abstract

APARELHO, MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE UM SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA E SISTEMA. Trata-se de um sistema para transferir energia de uma fonte de energia que inclui uma primeira fonte de energia, um enlace de CC acoplado a uma carga de CC, um primeiro conversor de tensão de CC para CC acoplado ao enlace de CC e um segundo conversor de tensão de CC para CC acoplado à primeira fonte de energia. Um controlador é acoplado aos primeiro e segundo conversores de tensão de CC para CC e configurado para determinar um nível de tensão da primeira fonte de energia e do enlace de CC. Se o nível de tensão do enlace de CC for menor que o nível de tensão da primeira fonte de energia, o controlador controla o segundo conversor de tensão de CC para CC para extrair energia da primeira fonte de energia para fazer com que a saída de tensão de CC da primeira fonte de energia e suprida ao primeiro conversor de tensão de CC para CC esteja abaixo da tensão de carga de CC suprida ao enlace de CC por meio do primeiro conversor de tensão de CC para CC.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] As realizações da invenção referem-se, de modo geral, a sistemas de acionamento elétrico que incluem veículos elétricos e híbridos e a acionamentos estacionários que são sujeitos a cargas pulsadas ou temporárias e, mais particularmente, à transferência de energia entre um dispositivo de armazenamento elétrico ou fonte de energia elétrica do veículo ou acionamento para uma carga.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Veículos elétricos híbridos podem combinar um mecanismo motor de combustão interna ou uma célula a combustível e um motor elétrico alimentado por um dispositivo de armazenamento de energia, tal como uma bateria de tração, para propelir o veículo. Tal combinação pode aumentar a eficiência de combustível total ao capacitar o mecanismo motor de combustão e o motor elétrico para, cada um, operar em faixas respectivas de eficiência aumentada. Os motores elétricos, por exemplo, podem ser eficientes em aceleração a partir de uma partida estática, enquanto mecanismos motores de combustão podem ser eficientes durante períodos prolongados de operação de mecanismo motor constante, tal como em condução em autoestrada. Ter um motor elétrico para amplificar a aceleração inicial permite que mecanismos motores de combustão em veículos híbridos sejam menores e com melhor eficiência no uso de combustível.

[003] Veículos puramente elétricos utilizam energia elétrica armazenada para alimentar um motor elétrico, que propele o veículo e podem operar, também, com acionadores auxiliares. Veículos puramente elétricos podem utilizar uma ou mais fontes de energia elétrica armazenada. Por exemplo, uma primeira fonte de energia elétrica armazenada pode ser utilizada para fornecer energia com duração mais longa enquanto uma segunda fonte de energia elétrica armazenada pode ser utilizada para fornecer energia de potência maior para, por exemplo, aceleração.

[004] A energia pode ser transferida a partir da fonte de energia de um veículo ou acionadores para um elo CC acoplado a uma carga de CC. Frequentemente, um conversor de ampliação bidirecional pode ser incluído para desacoplar a fonte de energia de uma conexão direta com o elo CC e para ampliar a tensão da fonte de energia a uma tensão de nível maior para prover ao elo CC. Uma razão de ampliação de tensão alta entre o lado baixo do conversor de ampliação bidirecional que recebe a tensão da fonte de energia e o lado alto do conversor de ampliação que supre a tensão amplificada ao elo CC tende a diminuir a eficiência do sistema.

[005] Aumentar a eficiência do sistema ao baixar a razão de ampliação de tensão pode incluir ter uma fonte de energia capaz de prover uma tensão em ou acima de um valor próximo à tensão desejada no elo CC. No entanto, um evento de corrente incontrolável pode ocorrer quando a tensão da fonte de energia está acima da tensão desejada no elo CC.

[006] Seria, portanto, desejável fornecer um sistema para facilitar a transferência de energia elétrica de uma fonte de energia elétrica ao elo CC de uma maneira controlada quando a tensão da fonte de energia elétrica for maior que a tensão de elo CC desejada ou atual.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[007] De acordo com um aspecto da invenção, um aparelho inclui uma primeira fonte de energia configurada para emitir uma tensão de CC, um elo CC acoplado a uma carga de CC e configurado para prover uma tensão de carga de CC para a carga de CC com base na tensão de CC da primeira fonte de energia, um primeiro conversor de tensão de CC para CC acoplado ao elo CC e configurado para prover a tensão de carga de CC ao elo CC e um segundo conversor de tensão de CC para CC acoplado à primeira fonte de energia. O aparelho inclui também um controlador acoplado aos primeiro e segundo conversores de tensão de CC para CC e é configurado para determinar um nível de tensão da primeira fonte de energia, para determinar um nível de tensão do elo CC e, se o nível de tensão do elo CC for menor que o nível de tensão da primeira fonte de energia, controlar o segundo conversor de tensão de CC para CC para extrair energia da primeira fonte de energia para fazer com que a saída de tensão de CC da primeira fonte de energia e suprida ao primeiro conversor de tensão de CC para CC esteja abaixo da tensão de carga de CC suprida ao elo CC por meio do primeiro conversor de tensão de CC para CC.

[008] De acordo com outro aspecto da invenção, um método para fabricação de um sistema de transferência de energia que inclui acoplar um elo CC a uma carga de CC em que o elo CC é configurado para prover uma tensão de carga de CC à carga de CC, acoplar um primeiro conversor de tensão de CC para CC ao elo CC em que o primeiro conversor de tensão de CC para CC é configurado para prover a tensão de carga de CC ao elo CC e acoplar um segundo conversor de tensão de CC para CC para uma primeira fonte de energia em que a primeira fonte de energia configurada para emitir uma tensão de CC. O método inclui também acoplar um controlador aos primeiro e segundo conversores de tensão de CC para CC e configurar o controlador para comparar um nível de tensão da primeira fonte de energia com um nível de tensão do elo CC e, se o nível de tensão da primeira fonte de energia for maior que o nível de tensão do elo CC, controlar o segundo conversor de tensão de CC para CC para extrair energia da primeira fonte de energia para fazer com que a saída de tensão de CC da primeira fonte de energia e suprida ao primeiro conversor de tensão de CC para CC esteja abaixo do nível de tensão do elo CC.

[009] De acordo com ainda outro aspecto da invenção, um sistema inclui um elo CC, uma carga acoplada ao elo CC e configurada para receber uma tensão de carga a partir do mesmo e uma primeira fonte de energia. O sistema inclui também um primeiro dispositivo de medição de tensão acoplado à primeira fonte de energia, um segundo dispositivo de medição de tensão acoplado ao elo CC, um conversor de tensão de fonte de energia bidirecional configurado para converter uma primeira tensão de entrada em uma primeira tensão convertida em que a primeira tensão de entrada é suprida da primeira fonte de energia e um conversor de tensão de elo CC bidirecional configurado para converter uma segunda tensão de entrada em uma segunda tensão convertida e prover a segunda tensão convertida ao elo CC em que a segunda tensão convertida compreende a tensão de carga. O sistema inclui também um controlador configurado para receber um nível de tensão da primeira fonte de energia do primeiro dispositivo de medição de tensão, para receber um nível de tensão do elo CC do segundo dispositivo de medição de tensão e para comparar o nível de tensão da primeira fonte de energia com o nível de tensão do elo CC. O controlador é configurado também para controlar o conversor de tensão de fonte de energia bidirecional para extrair energia da primeira fonte de energia para fazer com que a segunda tensão de entrada esteja abaixo da tensão de carga se o nível de tensão do elo CC for menor que o nível de tensão da primeira fonte de energia e controlar o conversor de tensão de elo CC bidirecional para converter a segunda tensão de entrada na segunda tensão convertida e para prover a segunda tensão convertida ao elo CC.

[010] Várias outras características e vantagens ficarão aparentes a partir da descrição detalhadas e dos desenhos a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[011] Os desenhos ilustram realizações presentemente contempladas para executar a invenção.

[012] A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de tração de acordo com uma realização da invenção.

[013] A Figura 2 é um diagrama esquemático do sistema de tração da Figura 1 de acordo com outra realização da invenção.

[014] A Figura 3 é um diagrama esquemático de outro sistema de tração de acordo com uma realização da invenção.

[015] A Figura 4 é um diagrama esquemático de outro sistema de tração de acordo com uma realização da invenção.

[016] A Figura 5 é um diagrama esquemático de outro sistema de tração de acordo com uma realização da invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[017] A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de tração 10 de acordo com uma realização da invenção. O sistema de tração 10 inclui uma primeira fonte de energia (ES) de CC 12 acoplável a um conversor de tensão de CC para CC bidirecional 14 por meio de um par de contatores ou comutadores 16, 18. O conversor de tensão de CC para CC 14 é acoplado a outro par de conversores de tensão de CC para CC bidirecionais 14, 20, 22 que são acoplados a um elo CC ou barramento 24. Conforme utilizado no presente documento, uma fonte de energia se refere a um dispositivo que armazena energia elétrica ou que converte uma energia não elétrica (por exemplo, energia química) em energia elétrica. De acordo com uma realização da invenção, fonte de energia de 12 pode ser uma unidade de armazenamento de energia como é compreendido no estado da técnica, tal como uma célula a combustível, uma bateria de haleto de sódio-metal, uma bateria de sódio- níquel, uma bateria de sódio-enxofre, uma bateria de hidreto metálico de níquel, uma bateria de íons de lítio, uma bateria de polímero de lítio, uma bateria de níquel cádmio, uma pluralidade de células supercapacitoras ou uma combinação de ultracapacitores e baterias, com exemplos.

[018] Cada conversor de tensão de CC para CC bidirecional 14, 20, 22 é configurado para converter uma tensão de CC em outra tensão de CC e inclui um indutor 26 acoplado a um par de comutadores 28, 30 e acoplado a um par de diodos 32, 34. Cada comutador 28, 30 é acoplado a um diodo respectivo 32, 34, e cada par de comutador/diodo forma um módulo de meia fase respectivo 36, 38. Os comutadores 28, 30 são mostrados, com propósitos ilustrativos, como transistores bipolares de porta isolada (IGBTs). No entanto, as realizações da invenção não são limitadas a IGBTs. Qualquer comutador eletrônico apropriado pode ser utilizado, tal como, por exemplo, transistores de efeito de campo metal-óxido (MOSFETs), transistores de junção bipolar (BJTs), e tiristores controlados por semicondutor metal-óxido (MCTs).

[019] Uma segunda ES 40 é acoplada ao elo CC 24, e a tensão de elo CC nominal será aproximadamente igual à tensão nominal da ES 40. Em uma realização, a ES 40 é uma fonte de energia de tensão alta e pode ser uma bateria, um sistema de volante, célula a combustível, um ultracapacitor ou similares. Um capacitor de filtro de elo CC 42 acoplado ao elo CC 24 fornece uma função de alisamento para o elo CC 24 e filtra correntes de frequência alta no elo CC 24.

[020] Um conjunto de modificação de tensão bidirecional 44 é acoplado ao elo CC 24. Em uma realização, o conjunto de modificação de tensão bidirecional 44 é um inversor de tensão CC para CA bidirecional. O inversor de tensão CC para CA bidirecional 44 inclui seis módulos de meia fase 46, 48, 50, 52, 54, e 56 que são unidos para formar três fases 58, 60, e 62. Cada fase 58, 60, 62 é acoplada a um par de condutores 64, 66 do elo CC 24. Um dispositivo eletromecânico ou motor 68 é acoplado ao inversor de tensão CC para CA bidirecional 44. Em uma realização, o dispositivo eletromecânico 68 é um motor de tração mecanicamente acoplado a uma ou mais rodas motrizes ou eixos 70 de um veículo (não se mostra) ou outro aparelho elétrico, incluindo guindastes, elevadores ou içadores. O dispositivo eletromecânico 68 inclui uma pluralidade de enrolamentos 72, 74, e 76 que têm uma pluralidade de condutores 78 acoplados às respectivas fases 58, 60, 62 do inversor de tensão CC para CA bidirecional 44. Os enrolamentos 72 a 76 também têm uma pluralidade de condutores 80 acoplados para formar um nó neutro ou comum 82. Essa conexão de enrolamento de dispositivo eletromecânico é comumente referida como um dispositivo eletromecânico conectado em “Y”. Uma configuração alternativa de conexão de enrolamento elétrico (não se mostra) é uma configuração em “delta” em que cada fase respectiva é conectada a enrolamentos de duas fases e não contém um nó neutro tal como o nó 82.

[021] O sistema de tração 10 inclui um controlador 84 acoplado aos contatores 16 a 18, conversores de rebaixamento/ampliação 14 e 20 a 22 e módulos de meia fase 46-56 por meio de linhas 86 para controlar a operação do sistema de tração 10 durante os modos de motorização e carregamento conforme explicado abaixo no presente documento.

[022] A ES 40 pode ser configurada para fornecer uma potência maior que a ES 12 para fornecer potência durante, por exemplo, períodos de aceleração do veículo. A ES 12 pode ser configurada para fornecer uma energia maior que a ES 40 para fornecer uma potência de duração mais longa ao veículo para aumentar uma distância de viagem do mesmo. De acordo com uma realização da invenção, a ES 12 pode ser selecionada para se aproximar de uma tensão de saída máxima em níveis de corrente de saída relativamente baixos ou zero que é aproximadamente igual a ou em uma tensão maior limítrofe do que a tensão nominal da ES 40, que é aproximadamente igual à tensão nominal do elo CC 24. Dessa maneira, a razão de ampliação de tensão entre o lado de tensão baixa dos conversores de rebaixamento/ampliação 20-22 e a tensão do elo CC 24 pode ajudar a alcançar uma eficiência alta de conversor de ampliação e eficiência do sistema geral.

[023] O controlador 84 é acoplado a um sensor de tensão de ES 88, que detecta ou mede uma tensão da ES 12, e a um sensor de tensão de elo CC 90, que detecta ou mede uma tensão do elo CC 24. Durante o modo de motorização, o controlador 84 adquire a medição da tensão da ES 12 e do elo CC 24. De modo alternativo, o controlador 84 pode receber informações de tensão da ES 12 por meio de um(a) elo comunicação/interface (não se mostra) para a um controlador interno (não se mostra) na ES 12 para receber leituras de tensão antes de o controlador 84 fechar os contatores 16 e 18. A configuração mostrada na Figura 1 permite que a tensão da ES 12 seja maior que a tensão no elo CC 24. Se a tensão da ES 12 for maior que a tensão no elo CC 24 ou estiver, de outra forma, acima de um nível limítrofe em que uma corrente não controlada da ES 12 ao elo CC 24 ocorreria através dos conversores de tensão 20 ou 22, o controlador 84 controla o conversor de tensão de CC para CC bidirecional 14 em um modo de rebaixamento para reduzir a tensão suprida pela ES 12 a um valor abaixo do nível limítrofe. Em uma realização, a tensão é rebaixada para a tensão desejada para ser suprida ao elo CC 24. Um contator ou o comutador 94 podem ser fechados para prover a tensão rebaixada diretamente ao elo CC 24. Em outra realização, a tensão pode ser rebaixada de modo tal que, quando transferida ao elo CC 24, a tensão no elo CC 24 tenha o nível desejado. Em ainda outra realização, a tensão rebaixada pode ser ampliada através de um ou ambos os conversores de tensão 20 ou 22 para fornecimento ao elo CC 24.

[024] Durante a operação da ES 12 em cargas de corrente altas ou em qualquer momento, o controlador 84 determina que a tensão da ES 12 está abaixo daquela do elo CC 24, um contator ou o comutador 92 (se presente) podem ser fechados pelo controlador 84 para prover a tensão da ES 12 diretamente aos conversores de tensão 20, 22 enquanto se desvia do conversor de tensão 14 para reduzir a perda de potência devido à corrente da ES 12 que passa através do conversor de conversor de tensão 14. Visto que, nesse caso, a tensão da ES 12 é menor que o nível limítrofe que faria com que o estado de corrente não controlada da ES 12 para o elo CC 24 ocorresse, a ampliação da tensão da ES 12 para a tensão de elo CC continua em um estado controlado.

[025] Através do controle apropriado dos módulos de meia fase 46 a 56, o controlador 84 é configurado para controlar o inversor de tensão CC para CA bidirecional 44 para converter uma tensão de CC ou corrente no elo CC 24 em uma tensão de CA ou corrente para fornecimento aos enrolamentos 72 a 76 por meio de condutores 78. Consequentemente, a tensão de CC ou corrente da ES 40 pode ser transferida ao elo CC 24 e convertida em uma tensão de CA ou corrente e entregue ao motor 68 para acionar as rodas 70. Em outros sistemas de propulsão de não veículos, as rodas motrizes 70 podem ser outro tipo de carga (não se mostra), incluindo uma bomba, um ventilador, uma manivela, guindaste ou outras cargas acionadas por motor. Em um modo de frenagem regenerativa, o dispositivo eletromecânico 68 pode ser operado como um gerador para frear as rodas 70 ou os dispositivos eletromecânicos (não se mostra) com cargas de verificação e para prover a tensão de CA ou corrente ao inversor de tensão CC para CA bidirecional 44 for para inversão para uma tensão de CC ou corrente no elo CC 24 que é adequada para recarregar a ES 40.

[026] Conforme mostrado em linhas imaginárias, outra ES 96 pode ser acoplada ao elo CC 24 por meio de um conversor de tensão de CC para CC bidirecional 98 correspondente. A ES 96 pode ser utilizada para fornecer potência adicional ao elo CC 24, para carregar ES 40 ou para elevar o nível de tensão do elo CC 24 a um nível maior que aquele da ES 12. A ES 96 pode ser, por exemplo, uma bateria recarregável ou um ultracapacitor capaz de armazenar energia gerada durante um evento de ruptura regenerativo. Um contator ou o comutador 100 acoplado a um terminal positivo da ES 96 pode ser fechado pelo controlador 84 para iniciar a transferência de energia da ES 96 para o elo CC 24. Contempla-se outro contator ou comutador (não se mostra) que podem ser acoplados também ao terminal negativo da ES 96. Embora uma única combinação de ES/conversor de tensão seja ilustrada em linhas imaginárias, as realizações da invenção contemplam múltiplas combinações de ES/conversor de tensão acopladas ao elo CC 24. De modo alternativo, as configurações contempladas que utilizam uma única ES/conversor de tensão sem uma ES 40 de potência específica alta. Nesse caso, a tensão de elo CC 24 seria estabelecida por meio do controlador 84 e ES 96 associada e conversor de CC para CC 98 ou combinações de controle da ES 12 e da ES 96.

[027] Quando um veículo ou aparelho que incorpora o sistema de tração 10 está estacionado ou não está em uso, pode ser desejável colocar o mesmo em interface ou plugar o veículo em, por exemplo, uma rede de utilidade pública de CA, um fornecimento de CC, um sistema fotovoltaico solar ou outra fonte de energia renovável, incluindo uma turbina de vento, etc. para renovar ou recarregar a ES 40 e qualquer outra fonte de energia recarregável tal como a ES 96. Consequentemente, a Figura 1 mostra uma realização da invenção que inclui um sistema de carregamento 102 acoplado ao sistema de tração 10 para o recarregamento da ES 40 de modo que os componentes do sistema de tração 10 possam ser utilizados com o propósito dual de recarregamento da ES 40 durante o modo de recarregamento e conversão de energia da ES 40 em energia utilizável para acionar a carga ou propelir o veículo durante o modo de motorização.

[028] O carregamento do sistema 102 inclui um plugue 104 do sistema de tração 10 que têm contatos 106, 108. O plugue 104 é acoplável ao conversor de tensão 14 por meio de um par de contatores ou comutadores 110, 112 que permitem que a energia do sistema de tração 10 seja desconectada do plugue 104 quando nenhum sistema de carregamento 102 é ligado à mesma. Um receptáculo ou plugue 114 que tem contatos 116, 118 são configurados para se encaixarem com plugue 104. O plugue 114 é acoplado a uma fonte de carregamento de CC 120. Contempla-se que a interface para uma fonte de carregamento de rede de utilidade pública possa ser um transformador de serviço de 480/208 V convencional mais um retificador associado e componentes de filtro e possivelmente circuito eletrônico de potência de regulamento de tensão. De modo alternativo, a interface com a fonte de carregamento de rede de utilidade pública pode ser uma “tensão média”, por exemplo 2,4 kV, 8 kV, 13,8 kV ou tensão maior que pode combinar o transformador de distribuição de montagem em poste com o transformador de serviço secundário de 480 V ou 208 V, reduzindo, assim, o tamanho, peso e o custo dos componentes do transformador ao mesmo tempo em que aumenta a eficiência da transmissão de potência elétrica da rede para carregamento rápido. Um diodo 122, ou controle apropriado de modo alternativo dos contatores 16 e 18, acoplado entre a ES 12 e o comutador 110 pode ser utilizado para impedir que a corrente da fonte de carregamento 120 de estar diretamente acoplada à ES 12.

[029] Durante o modo de carregamento, o comutador 92 pode ser fechado para permitir que a energia da fonte de carregamento 120 seja suprida diretamente aos conversores de tensão 20, 22 para transferência ou conversão da fonte de carregamento tensão ao elo CC 24 para recarregar a ES 40. Se presente, o comutador 100 e o conversor de tensão 98 pode ser controlado para prover a tensão de carregamento para a ES 96. Além disso, os auxiliares de carga selecionados, incluindo ventiladores, bombas eletrônicas de potência, etc. que são utilizados para manter a temperatura do sistema de tração 10 dentro da faixa de temperatura de operação prescrita podem ser controlados pelo controlador 84 durante o modo de recarga da operação.

[030] Durante o modo de carregamento quando a fonte de carregamento tensão for maior que a tensão limítrofe acima da tensão máxima da ES 40, os comutadores 92 e 94 são abertos, e a fonte de carga 120 é rebaixada no conversor de CC para CC 14 e então ampliada nos conversores de tensão de CC para CC 20 e 22, se presentes. Durante o modo de carregamento, quando a fonte de carregamento tensão for menor que um nível de tensão limítrofe abaixo da tensão mínima da ES 40, o controlador 84 fecha o contator 92 e a fonte de carregamento 120 tensão é ampliada ao valor desejado para carregar a ES 40. Da mesma forma, para ambos os casos acima, a ES 96 pode ser carregada a partir da fonte de carregamento 120 pelo controlador 84 que fornece controle do conversor de CC para CC 98 em um modo de rebaixamento da operação.

[031] A Figura 2 ilustra é um diagrama esquemático de um sistema de tração 124 de acordo com outra realização da invenção. Os elementos e componentes comuns aos sistemas de tração 10 e 124 serão discutidos com relação aos mesmos números de referência conforme apropriado. Na realização mostrada, o conversor de tensão de CC para CC bidirecional 14 inclui módulos de meia fase 36 e 38, mas o indutor mostrado na Figura 1 (por exemplo, o indutor 26) foi eliminado do mesmo para economizar o peso e custo adicional.

[032] Além disso, contempla-se que a ES 12 pode ser uma fonte de energia de CC que incorpora seu próprio diodo ou funcionalidade equivalente ao diodo. Consequentemente, o diodo 122 mostrado na Figura 1 pode ser eliminado.

[033] Ademais, além de prover energia para o inversor de CC para CA 44 e motor 68 conforme mostrado na Figura 1, a Figura 2 ilustra também uma carga de CC 126 que pode ser qualquer tipo de carga de CC acoplada ao elo CC 24 para receber energia do mesmo ou para prover energia para o mesmo. A carga de CC 126 pode ser acoplada a qualquer um dos sistemas de tração descritos no presente documento.

[034] A Figura 3 ilustra um diagrama esquemático de um sistema de tração 128 de acordo com outra realização da invenção. Os elementos e componentes comuns aos sistemas de tração 10, 124, e 128 serão discutidos com relação aos mesmos números de referência conforme apropriado.

[035] Conforme mostrado na Figura 3, uma pluralidade de contatores ou comutadores 130, 132, 134, 136, 138 são controlados pelocontrolador 84 durante o modo de motorização para evitar um modo de operação não controlado do sistema de tração 128. Em uma realização, se o controlador 84 determina que a tensão no elo CC 24 for menor que a tensão de saída da ES 12, o controlador 84 pode controlar os comutadores 130 a 138 e os conversores de tensão 14 e 20 a 22 de modo que o sistema de tração 128 opere de uma maneira similar àquela descrita acima a respeito do sistema de tração 10. Isto é, o controlador 84 pode controlar os comutadores 132 a 138 para os seus estados desligados e o comutador 130 para o seu estado ligado de modo que a tensão da ES 12 possa primeiro ser rebaixada por meio de conversor de tensão 14 e então ampliada por meio de conversores de tensão 20, 22 para fornecimento ao elo CC 24.

[036] Uma vez que o controlador 84 determina que a tensão no elo CC 24 é maior que a tensão de saída da ES 12 nessa realização, os comutadores 130 e 138 podem ser abertos, os comutadores 132 e 134 podem ser fechados e todos ou alguns dos três conversores de tensão 14, 20 a 22 podem ser operados independentemente para ampliar a tensão da ES 12 para o elo CC 24. Se desejado, os conversores de tensão 14, 20 a 22 podem ser operados de acordo com um esquema de entalhamento intercalado para reduzir corrente ondulada na ES 12.

[037] Em outra realização, se o controlador 84 determina que a tensão no elo CC 24 é menor que a tensão de saída da ES 12, o controlador 84 pode primeiro fazer com que os comutadores 136, 138 fechem de modo que a tensão da ES 12 possa ser utilizada para alimentar um ou mais auxiliares de carga 140 diretamente acopláveis e relacionados à ES 12 para baixar a saída da ES 12. Se o fornecimento de tensão da ES 12 ao(s) auxiliar(s) de carga 140 for suficiente para baixar a tensão da ES 12 abaixo da tensão do elo CC 24, os comutadores 132 a 134 podem ser controlados para o seu estado ligado, e o comutador 130 pode ser mantido no seu estado desligado de modo que todos ou alguns dos três conversores de tensão 14, 20 a 22 possam ser operados independentemente para ampliar a tensão da ES 12 ao elo CC 24. Se desejado, os conversores de tensão 14, 20 a 22 podem ser operados de um modo de entalhamento intercalado para reduzir a corrente ondulada na ES 12.

[038] Um ou mais auxiliares de carga 142 adicionais podem ser acoplados ao elo CC 24 que podem ou não ser relacionados à ES 12. Por exemplo, os auxiliares de carga 142 podem ser relacionados a conforto de cabine tal como unidades de condicionamento de ar e aquecedores e podem fornecer uma pluralidade de funções eletrônicas tais como um rádio, controles de painel eletrônicos, iluminação e controles de motor para assentos elétricos e janelas elétricas, etc. O controlador 84 pode controlar a potência suprida aos auxiliares de carga 142 do elo CC 24 por meio de um contator ou comutador 144 respectivamente acoplados ao mesmo.

[039] A ES 12 na Figura 3 pode ser uma fonte de energia recarregável por meio do sistema de carregamento 102. Em uma realização, o controlador 84 pode ser programado para fechar os comutadores 16, 18, 110, 112 e 138 para permitir que a energia de carregamento do sistema de carregamento 102 seja diretamente suprida para a ES 12. Além disso, os comutadores 136 podem ser fechados para prover potência para quaisquer auxiliares de carga 140 (ventiladores, bombas eletrônicas de potência, etc.) úteis para o regulamento da ES 12 durante o seu ciclo de recarregamento. Em outra realização, o comutador 138 pode ser aberto e os comutadores 16, 18, 110, 112, 130 e 134 pode ser fechado para permitir o controle de amplificação da energia de carregamento do sistema de carregamento 102 por meio de conversor de CC para CC 14.

[040] De modo alternativo, se a fonte de carregamento 120 for um fornecimento de CC com regulamento de tensão apropriado, com controle de aperto de mão do controlador 84, então a ES 12 pode ser carregada diretamente a partir do carregador fora de placa 120. Da mesma forma, se a fonte de carregamento 120 tiver uma capacidade de potência alta, a ES 40 de potência específica alta pode ser rapidamente carregada com controle apropriado de contatores mostrado nessa configuração e o controlador 84 programado para abrir comutadores 16 e 18. Além disso, a ES 96 pode ser simultaneamente carregada com uso de conversor de CC para CC 98 como um controlador de rebaixamento.

[041] A Figura 4 ilustra é um diagrama esquemático de um sistema de tração 146 de acordo com outra realização da invenção. Os elementos e componentes comuns aos sistemas de tração 10, 124, 128 e 146 serão discutidos com relação aos mesmos números de referência conforme apropriado.

[042] Conforme mostrado na Figura 4, o conversor de tensão de CC para CC bidirecional 14 é acoplado para rebaixar a energia da ES 12 e para prover a tensão rebaixada para um banco de resistores de rede dinâmica 148 acoplado ao conversor de tensão 14. Se, durante o modo de motorização, o controlador 84 determinar que a tensão da ES 12 for maior que a tensão no elo CC 24 ou estiver, de outra forma, acima de um nível limítrofe em que uma corrente não controlada da ES 12 ao elo CC 24 ocorreria através de conversores de tensão 20 ou 22, o controlador 84 pode controlar o comutador 130 e o conversor de tensão de CC para CC 14 para fazer com que a tensão da ES 12 flua através do banco de resistores de rede dinâmica 148 para reduzir a tensão suprida pela ES 12 a um valor abaixo do nível limítrofe. Durante eventos de ruptura regenerativo, o controlador 84 pode abrir o comutador 130, fechar a comutador 132 e controlar o conversor de tensão de CC para CC 14 para prover pelo menos uma porção da energia regenerativa para o banco de resistores de rede dinâmica 148 para controlar a tensão no elo CC 24 durante níveis altos de fretamento regenerativo quando utilizado no veículo ou aplicações de carga de verificação. Por exemplo, quando o nível de tensão da ES 12 for maior que o nível de tensão do elo CC 24, a tensão em excesso no elo CC 24 pode ser direcionada para passar através do banco de resistores de rede dinâmica 148. Além disso, o banco de resistores de rede dinâmica 148 pode ser utilizado para autoteste e diagnósticos de componentes tais como a ES 12 e o sistema de carregamento 102, incluindo conectores de teste e cabeamento dos mesmos ou medição de capacidade de potência e qualidade da fonte de carregamento 120.

[043] A Figura 5 ilustra um diagrama esquemático de um sistema de tração 150 de acordo com outra realização da invenção. Os elementos e componentes comuns aos sistemas de tração 10, 124, 128, 146 e 150 serão discutidos com relação aos mesmos números de referência conforme apropriada.

[044] Conforme mostrado na Figura 5, o conversor de tensão de CC para CC bidirecional 14 não é acoplado para rebaixar a energia da ES 12. O conversor de tensão 14 é, no entanto, acoplado para receber energia da ES 12 e para prover energia ao(s) auxiliar(s) de carga 140. Em uma realização, quando a tensão de saída da ES 12 for suficiente para operar o(s) auxiliar(s) de carga 140, o controlador 84 pode fechar o comutador 136 para fazer com que a tensão da ES 12 flua através do diodo 32 do conversor 14 e para o(s) auxiliar(s) de carga 140. Nesse caso, o controlador 84 não precisa controlar ativamente o conversor de tensão 14. A tensão fornecida ao(s) auxiliar(s) de carga 140 será o valor da tensão da ES 12 menos uma queda de diodo através do diodo 32.

[045] Em outra realização, quando a tensão de saída da ES 12 não for suficiente para operar o(s) auxiliar(s) de carga 140 tal como durante uma operação de nível de potência alto do sistema de tração 150 e da ES 12, o controlador 84 pode fechar o comutador 136 e controlar o conversor de tensão 14 em um modo de ampliação para aumentar a tensão suprida para o(s) auxiliar(s) de carga 140 para estar em uma faixa de tensão desejável ou em uma tensão que é otimizada para melhorar a eficiência do mesmo.

[046] O comutador 132 (mostrado em linhas imaginárias nessa realização) pode ser incluído e fechado durante um evento de ruptura regenerativo junto com o comutador 136 para operar o(s) auxiliar(s) de carga 140 da energia de fretamento regenerativo.

[047] Uma contribuição técnica para o aparelho apresentado é que o mesmo fornece uma tecnologia implantada de controlador para transferir energia entre um dispositivo de armazenamento elétrico ou fonte de energia elétrica do veículo ou acionamento para uma carga.

[048] Portanto, de acordo com uma realização da invenção, um aparelho inclui uma primeira fonte de energia configurada para emitir uma tensão de CC, um elo CC acoplado a uma carga de CC e configurado para prover uma tensão de carga de CC para a carga de CC com base na tensão de CC da primeira fonte de energia, um primeiro conversor de tensão de CC para CC acoplado ao elo CC e configurado para prover a tensão de carga de CC para o elo CC e um segundo conversor de tensão de CC para CC acoplado à primeira fonte de energia. O aparelho inclui também um controlador acoplado aos primeiro e segundo conversores de tensão de CC para CC e configurado para determinar um nível de tensão da primeira fonte de energia, determinar um nível de tensão do elo CC, e, se o nível de tensão do elo CC for menor que o nível de tensão da primeira fonte de energia, controlar o segundo conversor de tensão de CC para CC para extrair energia da primeira fonte de energia para fazer com que a saída de tensão de CC da primeira fonte de energia e suprida ao primeiro conversor de tensão de CC para CC esteja abaixo da tensão de carga de CC suprida para o elo CC por meio do primeiro conversor de tensão de CC para CC.

[049] De acordo com outra realização da invenção, um método para fabricação de um sistema de transferência de energia que inclui acoplar um elo CC a uma carga de CC em que o elo CC é configurado para prover uma tensão de carga de CC para a carga de CC, acoplar um primeiro conversor de tensão de CC para CC ao elo CC em que o primeiro conversor de tensão de CC para CC é configurado para prover a tensão de carga de CC para o elo CC e acoplar um segundo conversor de tensão de CC para CC a uma primeira fonte de energia em que a primeira fonte de energia é configurada para emitir uma tensão de CC. O método inclui também acoplar um controlador aos primeiro e segundo conversores de tensão de CC para CC e configurar o controlador para comparar um nível de tensão da primeira fonte de energia com um nível de tensão do elo CC e, se o nível de tensão da primeira fonte de energia for maior que o nível de tensão do elo CC, controlar o segundo conversor de tensão de CC para CC para extrair energia da primeira fonte de energia para fazer com que a saída de tensão de CC da primeira fonte de energia e suprida para o primeiro conversor de tensão de CC para CC esteja abaixo do nível de tensão do elo CC.

[050] De acordo com ainda outra realização da invenção, um sistema inclui um elo CC, uma carga acoplada ao elo CC e configurada para receber uma tensão de carga do mesmo e uma primeira fonte de energia. O sistema inclui também um primeiro dispositivo de medição de tensão acoplado à primeira fonte de energia, um segundo dispositivo de medição de tensão acoplado ao elo CC, um conversor de tensão de fonte de energia bidirecional configurado para converter uma primeira tensão de entrada em uma primeira tensão convertida em que a primeira tensão de entrada suprida da primeira fonte de energia e um conversor de tensão de elo CC bidirecional configurado para converter uma segunda tensão de entrada em uma segunda tensão convertida e prover a segunda tensão convertida para o elo CC em que a segunda tensão convertida compreende a tensão de carga. O sistema inclui também um controlador configurado para receber um nível de tensão da primeira fonte de energia do primeiro dispositivo de medição de tensão, receber um nível de tensão do elo CC do segundo dispositivo de medição de tensão e comparar o nível de tensão da primeira fonte de energia com o nível de tensão do elo CC. O controlador também é configurado para controlar o conversor de tensão de fonte de energia bidirecional para extrair energia da primeira fonte de energia para fazer com que a segunda tensão de entrada esteja abaixo da tensão de carga se o nível de tensão do elo CC for menor que o nível de tensão da primeira fonte de energia e controlar o conversor de tensão de elo CC bidirecional para converter a segunda tensão de entrada na segunda tensão convertida e para prover a segunda tensão convertida para o elo CC.

[051] Embora a invenção tenha sido descrita em detalhes em conexão apenas com um número limitado de realizações, deve-se compreender, prontamente, que a invenção não é limitada a tais realizações. Ao contrário, a invenção pode ser modificada para incorporar qualquer número de variações, alterações, substituições ou disposições equivalentes não descritas até o momento, mas que são similares ao espírito e ao escopo da invenção. Adicionalmente, embora várias realizações da invenção tenham sido descritas, deve-se compreender que os aspectos da invenção podem incluir somente algumas das realizações descritas. Consequentemente, a invenção não deve ser vista como limitada pela descrição anterior, mas é limitada somente pelo escopo das reivindicações.

Claims

1. APARELHO DE ACIONAMENTO ELÉTRICO (10) compreendendo: uma primeira fonte de energia (12) configurada para emitir uma tensão de CC; um elo CC (24) acoplado a uma carga de CC (126) e configurado para prover uma tensão de carga de CC à carga de CC (126) com base na tensão de CC da primeira fonte de energia (12); um primeiro conversor de tensão (14) de CC para CC acoplado ao elo CC (24) e configurado para prover a tensão de carga de CC ao elo CC (24); um segundo conversor de tensão (20,22) de CC para CC acoplado à primeira fonte de energia (12); e um controlador (84) acoplado aos primeiro e segundo conversores de tensão de CC para CC (14, 20, 22) e configurado para: determinar um nível de tensão da primeira fonte de energia (12); determinar um nível de tensão do elo CC (24); o aparelho (10) sendo caracterizado por: se o nível de tensão do elo CC (24) for menor do que o nível de tensão da primeira fonte de energia (12), controlar o segundo conversor de tensão de CC para CC (20, 22) para extrair energia da primeira fonte de energia (12) para fazer com que a saída de tensão de CC da primeira fonte de energia (12) e a suprida ao primeiro conversor de tensão de CC para CC (14) estejam abaixo da tensão de carga de CC suprida ao elo CC (24) por meio do primeiro conversor de tensão de CC para CC (14).

2. APARELHO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda uma carga auxiliar (140) acoplável de modo seletivo ao segundo conversor de tensão (20, 22) de CC para CC por meio de um comutador; e em que o controlador (84) é configurado ainda para fazer com que a energia extraída da primeira fonte de energia (12) seja suprida à carga auxiliar (140) por meio do comutador.

3. APARELHO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por compreender ainda uma carga auxiliar (140) acoplável de modo seletivo à primeira fonte de energia (12) por meio de pelo menos um comutador; e em que o controlador (84) é configurado ainda para fazer com que a saída de tensão da primeira fonte de energia (12) seja suprida à carga auxiliar (140) por meio do pelo menos um comutador se o nível de tensão do elo CC (24) for maior que o nível de tensão da primeira fonte de energia (12).

4. APARELHO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender ainda uma carga auxiliar (140) acoplável de modo seletivo à primeira fonte de energia (12) por meio de pelo menos um comutador; e em que o controlador (84) é configurado ainda para fazer com que a saída de tensão da primeira fonte de energia (12) seja amplificada e suprida à carga auxiliar (140) por meio do pelo menos um comutador.

5. APARELHO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por compreender ainda uma segunda fonte de energia configurada para emitir uma tensão de CC e acoplada ao elo CC (24).

7. APARELHO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pela segunda fonte de energia ser configurada para controlar o nível de tensão do elo CC.

8. APARELHO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por compreender ainda: uma terceira fonte de energia; um terceiro conversor de tensão de CC para CC acoplado à terceira fonte de energia e ao elo CC (24); e em que o controlador (84) é configurado ainda para: amplificar uma tensão da terceira fonte de energia até um nível de tensão maior que o nível de tensão da primeira fonte de energia (12) se o nível de tensão do elo CC (24) for maior que o nível de tensão da primeira fonte de energia (12); e prover a tensão amplificada ao elo CC (24).

8. APARELHO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por compreender ainda um arranjo de resistor de rede dinâmico acoplado ao segundo conversor (20,22) de CC para CC; e em que o controlador (84) é configurado ainda para fazer com que a saída de tensão da primeira fonte de energia (12) seja suprida ao arranjo de resistor de rede dinâmico se o nível de tensão da primeira fonte de energia for maior que o nível de tensão do elo CC (24).

9. APARELHO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo controlador (84) ser configurado ainda para fazer com que a tensão gerada durante um evento de ruptura regenerativo e suprida ao elo CC (24) seja suprida ao arranjo de resistor de rede dinâmico.

10. APARELHO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pela carga de CC (126) compreender um inversor de CC para CA acoplado a um dispositivo eletromecânico.