ES2376928B1

ES2376928B1 - ENERGY RESOURCES SWITCHING DEVICE FOR AUTONOMOUS ELECTRICAL SYSTEMS.

Info

Publication number: ES2376928B1
Application number: ES200902012A
Authority: ES
Inventors: Julio GARCÍA CALVETE; Ricard Bosch Tous; Rafael Pindado Rico
Original assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Current assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2013-01-29
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: ES2376928A1

Abstract

Método y dispositivo de conmutación de recursos energéticos para sistemas eléctricos autónomos.#La presente invención concierne en general a un dispositivo que integra un conjunto de acumuladores de energía capaces de conmutar sus conexiones para ofrecer las combinaciones de entradas y salidas de energía que permitan maximizar su rendimiento.Method and device for switching energy resources for autonomous electrical systems. # The present invention concerns in general a device that integrates a set of energy accumulators capable of switching their connections to offer combinations of energy inputs and outputs that maximize their performance.

Description

Método y dispositivo de conmutación de recursos energéticos para sistemas eléctricos autónomos. Method and device for switching energy resources for autonomous electrical systems.

Technical sector

La presente invención concierne en general a dispositivos eléctricos para la recepción, almacenamiento y suministro de energía eléctrica en sistemas autónomos o energéticamente independientes. En particular es aplicable a una conmutación de elementos almacenadores (baterías, unltracondensadores, volantes de inercia fíywheeís-, etc.) con configuraciones cambiantes en combinaciones serie, paralelo y mixtas, con el objeto de flexibilizar y mejorar las disponibilidades energéticas. También comprende una conmutación de elementos generadores de energía como por ejemplo paneles fotovoltaicos dónde es posible aumentar la eficiencia del conjunto en función de la variabilidad de la radiación solar relativa en casos, por ejemplo, de sombreado parcial. The present invention relates in general to electrical devices for the reception, storage and supply of electrical energy in autonomous or energy independent systems. In particular, it is applicable to a switching of storage elements (batteries, untransdensers, fíywheeís- flywheels, etc.) with changing configurations in series, parallel and mixed combinations, in order to make the energy availability more flexible. It also comprises a switching of energy generating elements such as photovoltaic panels where it is possible to increase the efficiency of the assembly depending on the variability of the relative solar radiation in cases, for example, of partial shading.

Prior art

La eficiencia de sistemas eléctricos puede aumentar mediante una gestión energética adecuada. En sistemas energéticos autónomos como los usados en el transporte o algunos sistemas aislados de las redes de distribución eléctrica, ese ahorro se traduce en un incremento de prestaciones. The efficiency of electrical systems can be increased through proper energy management. In autonomous energy systems such as those used in transport or some isolated systems of electricity distribution networks, this saving translates into an increase in performance.

Hasta la fecha, la mayoría de sistemas autónomos de transporte como camiones, autobuses, coches o motocicletas se impulsan a través de un motor de combustión interna (ICM) que contamina, calienta el planeta y disminuye las reservas de petróleo. La alternativa actual de vehículos eléctricos (VE) está sujeta a la limitación de autonomía impuesta por las baterías. X.Yan y DPatterson en su artículo "Novel power management for high performance and cosí reduction in an electric vehicle" de la revista Renewable Energy, vol, 22, pág. 177-183 de 2001, proponían que en los sistemas energéticamente autónomos, pudiera existir un control eficiente de las fuentes de energía disponibles en cada momento. To date, most autonomous transportation systems such as trucks, buses, cars or motorcycles are driven through an internal combustion engine (ICM) that pollutes, heats the planet and lowers oil reserves. The current alternative of electric vehicles (VE) is subject to the autonomy limitation imposed by the batteries. X. Yan and DPatterson in their article "Novel power management for high performance and cosí reduction in an electric vehicle" of the magazine Renewable Energy, vol, 22, p. 177-183 of 2001, proposed that in energy-independent systems, there could be efficient control of the energy sources available at all times.

La red de distribución eléctrica alimenta motores industriales o motores de trenes, por citar un par de ejemplos, mediante convertidores de potencia a través de una tensión nominal constante. La estrategia de alimentación constante, aunque simple, no es necesariamente la más eficiente. The electricity distribution network feeds industrial engines or train engines, to name a couple of examples, using power converters through a constant nominal voltage. The strategy of constant feeding, although simple, is not necessarily the most efficient.

Por ejemplo, un motor eléctrico para arrancar requiere una corriente hasta siete 15 veces superior a la nominal, aunque dentro de este proceso, su tensión de alimentación pueda ser inferior a la nominal. El habitual suministro de una tensión de alimentación constante conlleva un consumo extra de energía (hasta de un 700% durante el transitorio de arranque). For example, an electric motor to start requires a current up to seven 15 times higher than the nominal one, although within this process, its supply voltage may be lower than the nominal one. The usual supply of a constant supply voltage leads to extra energy consumption (up to 700% during the transitory start-up).

En las instalaciones fotovoltaicas construidas a partir de cableado rígido mediante el paralelo de series de paneles, el efecto de un sombreado parcial sobre alguno de los paneles causa una disminución de la generación de toda la serie de paneles, contribuyendo a disminuir la eficiencia de toda la matriz. In photovoltaic installations constructed from rigid wiring through the parallel series of panels, the effect of partial shading on one of the panels causes a decrease in the generation of the entire series of panels, contributing to decrease the efficiency of the entire matrix.

Breve explicación de la invención Brief Explanation of the Invention

La presente invención consiste en el uso de una tensión de alimentación variable para alimentar convertidores de potencia que alimentan el motor de tracción de vehículos eléctricos. Con ello, se aumenta la eficiencia de los sistemas actuales. The present invention consists in the use of a variable supply voltage to power power converters that feed the electric vehicle traction motor. This increases the efficiency of current systems.

Por ejemplo, es posible arrancar un motor eléctrico suministrando un pico de corriente, del orden de siete veces su valor nominal, con una tensión que puede ser inferior a la nominal. For example, it is possible to start an electric motor by supplying a peak of the order of seven times its nominal value, with a voltage that may be less than the nominal one.

La combinación adecuada de fuentes de energía mediante configuraciones serie paralelo de acumuladores The right combination of energy sources through parallel series accumulator configurations

o baterías producirá unos niveles cercanos (y por tanto energéticamente óptimos de aprovechamiento) en tensión y corriente a las necesidades de alimentación del motor durante los diversos ciclos de funcionamiento. or batteries will produce close levels (and therefore energy efficiency) in voltage and current to the needs of the motor during the various operating cycles.

Para determinar las combinaciones más adecuadas en cada momento, el sistema comprende un elemento de control y una comunicación con el exterior. To determine the most appropriate combinations at any time, the system comprises a control element and a communication with the outside.

Un bus tensión de alimentación variable posee algunas ventajas y algunos inconvenientes. Como ventaja principal, cabe mencionar, la reducción de la capacidad de las baterías (espacio, peso y coste) o con las mismas baterías el incremento de autonomía. Adicionalmente, una tensión de alimentación variable puede recuperar más energía de la frenada que una tensión de alimentación constante. Como inconveniente se puede citar la necesidad de un mayor control de las posibles combinaciones. A variable voltage supply bus has some advantages and some disadvantages. As a main advantage, it is worth mentioning, the reduction of the capacity of the batteries (space, weight and cost) or with the same batteries the increase of autonomy. Additionally, a variable supply voltage can recover more energy from braking than a constant supply voltage. As an inconvenience, the need for greater control of possible combinations can be cited.

Breve descripción de la figura Brief description of the figure

Para la mejor comprensión de otros objetos o méritos de la invención se acompaña una figura relativa a la constitución básica del dispositivo objeto de la misma. Este diagrama de bloques del dispositivo debe tomarse a título ilustrativo y no limitativo. For the better understanding of other objects or merits of the invention, a figure is attached relative to the basic constitution of the device object thereof. This block diagram of the device should be taken as an illustration and not a limitation.

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Detailed description of the object of the invention

El dispositivo de conmutación de recursos energéticos para sistemas eléctricos autónomos que integran unos acumuladores 2, de la invención, está caracterizado por comprender: The energy resource switching device for autonomous electrical systems that integrate accumulators 2, of the invention, is characterized by comprising:

--: un controlador 3) para cada acumulador que le proporciona los parámetros instantáneos e históricos de su funcionamiento y estado; a controller 3) for each accumulator that provides the instantaneous and historical parameters of its operation and status;

--: un sistema de comunicaciones 7; a communication system 7;

--: unas entradas y salidas principal 4 y secundaria 5 de energía para dicho sistema eléctrico autónomo; main 4 and secondary 5 energy inputs and outputs for said autonomous electrical system;

--: una matriz de conmutación 1; a switching matrix 1;

--: un módulo de control principal 6; y a main control module 6; Y

--: unas líneas de control C3 que enlazan el control principal con la matriz de conmutación 1. control lines C3 that link the main control with the switching matrix 1.

La matriz de conmutación 1 es configurable en topología por dicho módulo de control principal 6, el cual opera con información de los controladores 3 de los acumuladores 2 y gestiona la operativa de dichos sistemas de control 3 de cada acumulador 2, proporcionando una topología de conexionado adecuada a las necesidades del sistema en función de los estados de los acumuladores y de una petición de servicio recibida por un canal de comunicación. The switching matrix 1 is configurable in topology by said main control module 6, which operates with information from the controllers 3 of the accumulators 2 and manages the operation of said control systems 3 of each accumulator 2, providing a connection topology appropriate to the needs of the system depending on the states of the accumulators and a service request received by a communication channel.

El dispositivo comprende además unas líneas de comunicación desde el exterior C1 destinadas al envío de consignas y órdenes y para una lectura del estado de variables e históricos de los acumuladores 2 y unas líneas de comunicaciones internas C2 entre el módulo de control principal 6 y los controles 3 de cada uno de los acumuladores 2. The device also comprises communication lines from the outside C1 intended for sending instructions and orders and for reading the status of variables and history of the accumulators 2 and internal communication lines C2 between the main control module 6 and the controls 3 of each of the accumulators 2.

Para demostrar la viabilidad y alcance de la presente invención, se montó un motor asíncrono trifásico de 230 V de 1,5 CV de potencia nominal con una velocidad nominal de 1500 rpm. La variabilidad de la tensión de alimentación ser alcanzó a través de dos grupos (tensión positiva y negativa) de ocho acumuladores o baterías combinadas adecuadamente en diversas combinaciones serie, paralelo o mixtas, según necesidades de incremento de actuación del motor en función del régimen de revoluciones de trabajo, carga del motor y ciclo de funcionamiento. To demonstrate the feasibility and scope of the present invention, a three-phase 230V asynchronous motor of 1.5 hp nominal power with a nominal speed of 1500 rpm was mounted. The variability of the supply voltage was achieved through two groups (positive and negative voltage) of eight accumulators or batteries properly combined in various series, parallel or mixed combinations, according to the needs of increased motor performance depending on the speed of revolutions working, motor load and operating cycle.

Para acelerar un motor parado hasta su velocidad nominal el convertidor de potencia necesita una tensión creciente en función de la velocidad del motor. Su realización mediante dieciséis acumuladores o baterías de 12 V de tensión nominal y 17 Ah de capacidad consiguen una tensión creciente con incrementos discretos de 12 V. La evolución de la conmutación de baterías depende de los requisitos del sistema. Finalmente, una adecuada gestión del sistema de conmutación facilita la reversión de energía hacia los acumuladores durante los ciclos de frenado del motor. To accelerate a stopped motor to its nominal speed, the power converter needs a rising voltage depending on the motor speed. Its realization by means of sixteen accumulators or batteries of 12 V of nominal voltage and 17 Ah of capacity achieve an increasing voltage with discrete increases of 12 V. The evolution of the switching of batteries depends on the requirements of the system. Finally, proper management of the switching system facilitates the reversal of energy to the accumulators during engine braking cycles.

Cada acumulador dispone de un sistema de control que le proporciona los parámetros instantáneos e históricos de su funcionamiento y estado. Asimismo, se dispone de un sistema de control global que determina la topología de conexión más adecuada en función de los estados de los acumuladores y de la petición de servicio recibida por el canal de comunicación. Each accumulator has a control system that provides instant and historical parameters of its operation and status. There is also a global control system that determines the most appropriate connection topology based on the states of the accumulators and the service request received by the communication channel.

Las conmutaciones entre estados pasan a través de una secuencia de cambios determinada por el módulo de control para evitar cortocircuitos. Esta secuencia de cambios se realiza en un tiempo mínimo. Switching between states goes through a sequence of changes determined by the control module to avoid short circuits. This sequence of changes is done in a minimum time.

A partir de las comunicaciones se configura la matriz. Las comunicaciones proporcionan asimismo información del estado de los diversos acumuladores. From the communications the matrix is configured. The communications also provide information on the status of the various accumulators.

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Claims

1.-Switching device for energy resources for autonomous electrical systems that integrate accumulators (2), characterized by comprising:

--: un controlador (3) para cada acumulador que le proporciona los parámetros instantáneos e históricos de su funcionamiento y estado; a controller (3) for each accumulator that provides the instantaneous and historical parameters of its operation and status;

--: un sistema de comunicaciones (7); a communications system (7);

--: unas entradas y salidas principal (4) y secundaria (5) de energía para dicho sistema eléctrico autónomo; main (4) and secondary (5) energy inputs and outputs for said autonomous electrical system;

--: una matriz de conmutación (1); a switching matrix (1);

--: un módulo de control principal (6); y a main control module (6); Y

--: unas líneas de control (C3) que enlazan el control principal con la matriz de conmutación (1); control lines (C3) that link the main control with the switching matrix (1);

the switching matrix (1) being configurable in topology by said main control module (6), which operates with information from the controllers (3) of the accumulators (2) and manages the operation of said control systems (3) of each accumulator (2), providing a connection topology appropriate to the needs of the system based on the states of the accumulators and a service request received by a communication channel.

2.-Switching device according to claim 1, characterized in that it comprises communication lines from the outside (C1) intended for sending instructions and orders and for a reading of the state of variables and historical accumulators (2) and internal communication lines (C2) between the main control module (6) and the controls (3) of each of the accumulators (2).

3.-Switching device according to claim 1, characterized in that one of said secondary inputs (5) provides direct access to a selected accumulator for maintenance.

4.-Switching method of energy resources for autonomous electrical systems that integrate accumulators (2), a control (3) for each accumulator and some main (4) and secondary (5) energy inputs and outputs for the autonomous electrical system , characterized in that it comprises using a switching matrix (1) whose topology is configurable from a control module (6) that operates with information from the controllers (3) associated with the accumulators (2) allowing any combination of serial and parallel connections of said accumulators (2).

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SPANISH OFFICE OF THE PATENTS AND BRAND

Application no .: 200902012

SPAIN

Date of submission of the application: 13.10.2009

Priority Date:

REPORT ON THE STATE OF THE TECHNIQUE

51 Int. Cl.: H02J3 / 04 (2006.01) H02J3 / 38 (2006.01)

RELEVANT DOCUMENTS

Categoría Category: 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas 56 Documents cited Claims Affected

X X: US 2008100136 A1 (LANGLOIS OLIVIER et al.) 01.05.2008, 1-4 US 2008100136 A1 (LANGLOIS OLIVIER et al.) 01.05.2008, 1-4

párrafos [0056-0113]; figuras 3-4. paragraphs [0056-0113]; Figures 3-4.

Y Y: 2 2

Y Y: US 2008065285 A1 (YAKES CHRISTOPHER K et al.) 13.03.2008, 2 US 2008065285 A1 (YAKES CHRISTOPHER K et al.) 13.03.2008, 2

párrafos [0007],[0043]. paragraphs [0007], [0043].

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application

El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:

Fecha de realización del informe 01.03.2012 Date of realization of the report 01.03.2012: Examinador M. Argüeso Montero Página 1/4 Examiner M. Argüeso Montero Page 1/4

REPORT OF THE STATE OF THE TECHNIQUE

Application number: 200902012

Minimum documentation searched (classification system followed by classification symbols) H02J Electronic databases consulted during the search (name of the database and, if possible, terms of

search used) INVENES, EPODOC

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WRITTEN OPINION

Application number: 200902012

Date of Completion of Written Opinion: 01.03.2012

Statement

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986): Reivindicaciones Reivindicaciones 2 1 y 3-4 SI NO Claims Claims 2 1 and 3-4 IF NOT

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986): Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO Claims Claims 1-4 IF NOT

The application is considered to comply with the industrial application requirement. This requirement was evaluated during the formal and technical examination phase of the application (Article 31.2 Law 11/1986).

Opinion Base.-

This opinion has been made on the basis of the patent application as published.

State of the Art Report Page 3/4

WRITTEN OPINION

Application number: 200902012

1. Documents considered.-

The documents belonging to the state of the art taken into consideration for the realization of this opinion are listed below.

Documento Document: Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date

D01 D01: US 2008100136 A1 (LANGLOIS OLIVIER et al.) 01.05.2008 US 2008100136 A1 (LANGLOIS OLIVIER et al.) 01.05.2008

D02 D02: US 2008065285 A1 (YAKES CHRISTOPHER K et al.) 13.03.2008 US 2008065285 A1 (YAKES CHRISTOPHER K et al.) 13.03.2008

2. Statement motivated according to articles 29.6 and 29.7 of the Regulations for the execution of Law 11/1986, of March 20, on Patents on novelty and inventive activity; quotes and explanations in support of this statement

--: Reivindicación 1 Claim 1

Document D01 is the state of the art document closest to the claimed invention. It describes a device for switching energy resources for an autonomous electrical system, in particular, of an aircraft.

The device comprises power modules (paragraph 0065), each associated with a controller (control board, paragraph 0095). It also has a communications system (network connection, paragraph 0090), as well as a switching matrix (switching matrix 42, paragraph 0060), a main control module (supervisor 52, paragraph 0072) and control lines that link the main control with the switching matrix (Figures 3 and 4). Finally, there are also main and secondary input and output lines (paragraphs 0089 and 0094).

Therefore, document D01 affects the novelty of claim 1 (art. 6 LP).

--: Reivindicación 2 Claim 2

Document D01 has internal communication lines (network connection, paragraph 0090) between the main control module and each of the power modules but does not indicate that the described device has communication lines from the outside.

However, there are other documents, such as document D02 (paragraph 0043), also referring to energy resource switching devices, which have communication lines from outside.

One skilled in the art, in view of document D02, can include these communication lines in the device of document D01 obtaining the claimed invention.

Therefore, the combination of documents D01 and D02 affects the inventive activity of claim 2 (art. 8 LP).

--: Reivindicación 3 Claim 3

Document D01 describes, in paragraph 0089, secondary inputs that provide direct access to the selected power module.

Therefore, document D01 affects the novelty of claim 3 (art. 6 LP).

--: Reivindicación 4 Claim 4

Document D01 is the state of the art document closest to the claimed invention. It describes an energy resource switching device in which a switching matrix is used, with a topology configurable from the control module, to connect the power modules in different configurations according to the information received from the system.

Therefore, document D01 affects the novelty of claim 1 (art. 6 LP).

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