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Title:
MODULAR INDUCTIVE CHARGING SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/207267
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a modular inductive charging system for electric vehicles, which uses a charging station provided with a plurality of independently controllable resonant modules, each module having its own corresponding primary coupling coil, which acts on electric vehicles, which are in turn provided with at least one resonant module that can be connected in parallel or in series, each one having its own corresponding secondary coupling coil, at least one converter module, and the appropriate assembly of batteries. The invention has the main advantage of allowing the provision of a multifunctional charging station which is automatically adaptable to electric vehicles with batteries of different operating voltages or powers.

Inventors:
SANZ OSORIO JOSÉ FRANCISCO (ES)
VILLA GAZULLA JUAN LUIS (ES)
CALAVIA VITALES MARTA (ES)
PERIÉ BUIL JUANMA (ES)
CABEZA GOZALO TOMÁS (ES)
Application Number:
PCT/ES2013/070441
Publication Date:
December 31, 2014
Filing Date:
June 28, 2013
Export Citation:
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Assignee:
FUNDACIÓN CIRCE CT DE INVESTIGACION DE RECURSOS Y CONSUMOS ENERGETICOS (ES)
ENDESA S A (ES)
International Classes:
H02J7/00; B60L11/18
Foreign References:
US20120206098A12012-08-16
EP2383858A12011-11-02
US20130033228A12013-02-07
FR2947114A12010-12-24
Other References:
"Recarga sin cables of los coches electricos''.", IN THE BLOG OF CELEDONIO AND COGOLLUDO, IN BLOGSKN77., 4 December 2012 (2012-12-04), Retrieved from the Internet [retrieved on 20140218]
Attorney, Agent or Firm:
AZAGRA SÁEZ, Pilar (ES)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1 - Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, del tipo de los que comprenden un dispositivo primario (1) dispuesto como estación de carga normalmente fija y uno o varios dispositivos secundarios (2), ubicados en los vehículos eléctricos, estando ambos acoplados inductivamente entre sí para la transferencia de energía eléctrica mientras el vehículo está parado o en circulación, caracterizado por que el dispositivo primario (1) comprende

- un convertidor AC/DC (3) que alimenta en continua a

- una pluralidad de módulos resonantes (4) controlables independientemente, que incorporan cada uno su correspondiente bobina primaria (12) de acoplamiento,

- un módulo de comunicaciones inalámbricas (9),

- un módulo de control (10) de los módulos resonantes (4) y

- un módulo de control (11) del convertidor AC/DC (3),

y cada dispositivo secundario (2) comprende a su vez

- uno o varios módulos resonantes (5), que incorporan cada uno su correspondiente bobina secundaria (13) de acoplamiento,

- uno o varios módulos convertidores AC/DC (6),

- uno conjunto de baterías (7) y

- un módulo de comunicaciones inalámbricas (8).

2 - Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 1 , caracterizado por que los módulos resonantes (5) del dispositivo secundario (2) están conectados en paralelo.

3 - Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 1 , caracterizado por que los módulos resonantes (5) del dispositivo secundario (2) están conectados en serie.

4 - Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 1 , caracterizado por que los módulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) tienen todos la misma potencia máxima. 5 - Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 1 , caracterizado por que los módulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) combinan diferentes potencias máximas. 6 - Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 1 , caracterizado por que los módulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) tienen todos la misma frecuencia de trabajo.

7 - Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 1 , caracterizado por que los módulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) combinan diferentes frecuencias de trabajo.

8 - Procedimiento de operación de un sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos como el descrito en las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que comprende una fase de alineación, una fase de configuración, una fase de carga y una fase de fin de carga.

9 - Procedimiento de operación de un sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 8, caracterizado por que la fase de alineación comprende la ubicación del vehículo eléctrico junto a la estación de carga, posicionándose de tal forma que se produzca la mejor alineación posible entre la bobina o bobinas secundarias (13) del dispositivo secundario (2), ubicadas en el vehículo eléctrico, y la bobina o bobinas primarias (12) del dispositivo secundario (2), ubicadas en la estación de carga. 10 - Procedimiento de operación de un sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 8, caracterizado por que la fase de configuración, comprende el envío por parte del vehículo eléctrico, mediante su módulo de comunicaciones inalámbricas (8), de sus datos de configuración de la batería, identificación para el cobro, estado de la carga de la batería y otras señales de control, la recepción de esta información mediante el módulo de comunicaciones inalámbricas (9) del dispositivo primario (1), el cual la transmite al módulo de control (10) de los módulos resonantes (4) y al módulo de control (1 1) del convertidor AC/DC (3), y la activación por parte módulo de control (10) del módulo o módulos resonantes (4) necesarios en función de la configuración particular del vehículo eléctrico, configurándose automáticamente para transferir la potencia especificada por la batería del vehículo. 1 1 - Procedimiento de operación de un sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 8, caracterizado por que la fase de de carga comprende la transferencia inductiva de potencia entre el módulo o módulos resonantes (4) activados en la estación de carga y el módulo o módulos resonantes (5) del vehículo eléctrico, regulándose en tiempo real mediante el módulo de control (10) de los módulos resonantes (4) y el módulo de control (1 1) del convertidor AC/DC (3) en función de la información de carga recibida desde el conjunto de baterías (7) de vehículo eléctrico a través de los módulos de comunicaciones inalámbricas (8,9), compensándose en caso necesario la desalineación entre las bobinas primarias (12) y secundarias (13) de acoplamiento.

12 - Procedimiento de operación de un sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos, según la reivindicación 8, caracterizado por que la fase de fin de carga comprende la desconexión del módulo o módulos resonantes (4) anteriormente activados al detectar el módulo de control (10) la carga completa por medio de la información suministrada desde el vehículo eléctrico a través de los módulos de comunicaciones inalámbricas (8,9).

Description:
DESCRIPCION

Sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, un sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos que utiliza una estación de carga dotada de una pluralidad de módulos resonantes controlables independientemente, cada uno con su correspondiente bobina primaria de acoplamiento, que actúa sobre vehículos eléctricos dotados a su vez con uno o varios módulos resonantes, que pueden ir conectados en paralelo o en serie, cada uno con su correspondiente bobina secundaria de acoplamiento, uno o varios módulos convertidores, y el oportuno conjunto de baterías.

Campo de la invención

La invención se engloba dentro de los dispositivos de carga inductiva para vehículos eléctricos, del tipo de los que comprenden un dispositivo primario dispuesto como estación de carga normalmente fija y uno o varios dispositivos secundarios ubicados en los vehículos eléctricos, estando ambos acoplados inductivamente entre sí para la transferencia de energía eléctrica que origine la carga de la batería del vehículo eléctrico mientras está parado.

Antecedentes de la invención

En la actualidad la tecnología de carga inductiva, sin contacto eléctrico, es ampliamente conocido y utilizada para la recarga de baterías incluidas en vehículos eléctricos, tal y como podemos encontrar reflejado, por ejemplo en las patentes US2010123451 "Inductive power transfer system and method", US2008238364 "System for inductive power transfer", KR101038350 "Non-contact type inductive power transfer device for electric vehicle", WO2013012585 "Wireless power transfer electric vehicle supply equipment installation and validation toor, US2012010341 "Ultra slim power supply device and power adquisition device for electric vehicle", US20120186927 "Power supply device, power adquisition device and safety system for electromagnetic induction powered electric vehicle" y EP2584665 "Wireless high power transfer under regulatory constraints", pero todas estas realizaciones tienen una problemática común: la transferencia de potencia debe de estar calculada y optimizada para unas determinadas potencias y tensiones de batería, con el fin de minimizar las pérdidas de energía innatas a una transferencia inductiva. Ello implica que, por cada tipo de vehículo, de potencia motora, de capacidad de baterías y de tensión de baterías, sea necesario un sistema de carga diferenciado, lo cual es un gran problema, máxime al no existir ninguna estandarización en los vehículos eléctricos, lo cual da pié a una gran dispersión de características entre los distintos fabricantes. Así es común ver sistemas de carga desde pocos kW hasta cerca de 200kW, así como tensiones en las baterías desde 200V hasta más de 800V, lo cual hace impensable técnicamente una estación de carga común para todos ellos.

Se conocen asimismo algunos sistemas de control para minimizar las pérdidas originadas por los desalineamientos entre las bobinas de acoplamiento, como por ejemplo las patentes WO2009144354 "High-frequency inductive coupling power transfer system and associated method' y WO 2009144355 "Automatic method for controlling a high-frequency inductive coupling power transfer system" que presentan un sistema que mantiene la potencia transferida compensando desajustes de hasta el 99% de la superficie del secundario. En la misma línea trabajan realizaciones como las descritas en las patentes TW200832883 "Power supply and charger for series-parallel loosely coupled inductive power transfer system" y TW200810315 "Power circuit component parameters design method for compensating the loosely coupled inductive power transfer system". Algunos dispositivos, como por ejemplo el descrito en la patente WO2013046104 "Coil configurations for Inductive Power Transfer" utiliza múltiples circuitos resonantes para mejorar la eficiencia de la transferencia de potencia a diferentes distancias entre primario y secundario, pero ninguna de estas realizaciones consigue compensar diferencias de potencia y/o tensiones como existen entre los distintos fabricantes de vehículos eléctricos, siguiendo necesitando de estaciones de carga diferentes para cada uno.

También existen algunas realizaciones, como las descritas en la patente GB2474867 "Transferring electric energy to a vehicle, using a system which comprises consecutive segments for energy transfer" que plantean la utilización de múltiples elementos resonantes en el primario, distribuidos longitudinalmente, para transferir energía a un secundario ubicado en un vehículo en movimiento, para permitir la carga de este vehículo mientras está en movimiento, por ejemplo en el caso de un tranvía, autobús o tren o similar, que no permanecen en una parada el tiempo suficiente para la carga por lo que hay que complementarlo con una carga mientras está en movimiento cerca de la parada. Estas técnicas también se citan en la publicación "Co/7 design and shielding methods for a magnetic resonant wireless power transfer system" (Proceedings of the IEEE, Vol 101 ,N°6, Junio 2013). Al igual que en el caso anterior no consigue mediante esta técnica compensar diferencias de potencia y/o tensiones como existen entre los distintos fabricantes de vehículos eléctricos, siguiendo necesitando de estaciones de carga diferentes para cada uno. De la misma forma, se conocen algunas realizaciones, como la descrita en la patente WO2013012480 "Regulation control and energy management scheme for wireless power transfer" que utilizan comunicaciones inalámbricas para la transferencia de parámetros entre primario y secundario, pero no en un contexto modular de múltiples convertidores que permita compensar diferencias de potencia y/o tensiones como existen entre los distintos fabricantes de vehículos eléctricos.

Descripción de la invención

Para solventar la problemática existente en la actualidad en la recarga de vehículos eléctricos mientras el vehículo está parado con diferentes necesidades de potencia, tensión de batería, etc., se ha ideado el sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos objeto de la presente invención, el cual utiliza una estación de carga, conformada como un convertidor AC/DC que alimenta a una pluralidad de módulos resonantes controlables independientemente, que pueden ser de distintas potencias o de la misma y de distintas frecuencias o de la misma, cada uno con su correspondiente bobina primaria de acoplamiento.

Los vehículos eléctricos a cargar utilizan a su vez uno o varios módulos resonantes, cada uno con su correspondiente bobina secundaria de acoplamiento, uno o varios módulos convertidores AC/DC (6), y el oportuno conjunto de baterías.

En caso de varios módulos resonantes en el vehículo eléctrico pueden ir conectados en paralelo o en serie. Irán conectados en paralelo cuando se desee sumar la corriente transferida desde los módulos resonantes de la estación de carga, consiguiendo de esta forma adaptar perfectamente las necesidades de potencia requeridas por el vehículo eléctrico. Irán conectados en serie cuando se desee sumar la tensión entregada por cada uno, consiguiendo cargar conjuntos de baterías de mayor tensión nominal y pudiendo alcanzar la potencia demandada por el vehículo.

El funcionamiento de este sistema de carga comporta asimismo una configuración de conexión y control automáticos tanto del convertidor AC/DC como de los módulos resonantes de la estación de carga, como de todo el proceso de carga, en función de una información proporcionada por el propio vehículo eléctrico mediante un protocolo de comunicación inalámbrico con la estación de carga. Esta información incluye datos de configuración serie o paralelo, identificación para el cobro, estado de la carga de la batería y otras señales de control.

Este sistema modular de carga inductiva es susceptible de uso para múltiples tipos de vehículos eléctricos, desde bicicletas, motocicletas o coches eléctricos de uso personal, pasando por furgonetas, camiones u otros vehículos industriales, hasta trenes o tranvías. Ventajas de la invención

Este sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos que se presenta aporta múltiples ventajas entre las que podemos destacar que permite disponer de una estación de carga multifuncional, adaptable automáticamente a vehículos eléctricos con baterías de distintas potencias o tensiones de trabajo.

Otra ventaja importante es que evita la necesidad de estaciones de cargas específicamente adaptadas para cada tipo de vehículo, facilitando el servicio a vehículos de diferentes fabricantes y de diferentes aplicaciones.

Es importante destacar la ventaja añadida que supone la posibilidad de combinar entre sí módulos resonantes de diversas potencias y frecuencias, para una mejor adecuación a diversos tipos de vehículos.

Otra destacable ventaja es que, al realizar el control en el primario, se puede ajustar la tensión de trabajo en un amplio margen.

También debemos resaltar que este sistema de carga es susceptible de realización con cualquier topología resonante de las conocidas, permitiendo incluso la combinación de varias de ellas.

Destacar asimismo que pueden implementarse tecnologías de control que permitan compensar las posibles faltas de alineamiento entre las bobinas del primario y del secundario, para minimizar las pérdidas y optimizar la transferencia de energía.

No debemos dejar de resaltar la ventaja que implica la perfecta optimización de parámetros de la transferencia de potencia en la carga, minimizando las pérdidas eléctricas y disminuyendo por tanto el coste económico de la recarga.

Descripción de las figuras

Para comprender mejor el objeto de la presente invención, en el plano anexo se ha representado una realización práctica preferencial de un sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos. En dicho plano la figura -1- muestra un diagrama de bloques simplificado genérico.

La figura -2- muestra un diagrama de bloques simplificado de una estación de carga con un vehículo eléctrico con dos módulos resonantes en paralelo.

La figura -3- muestra un diagrama de bloques simplificado de una estación de carga con un vehículo eléctrico con dos módulos resonantes en serie.

La figura -4- muestra un diagrama de bloques simplificado de una estación de carga con un vehículo eléctrico con un único módulo resonante.

La figura -5- muestra un ejemplo de topología combinando distintas potencias máximas y frecuencias de trabajo. La figura -6- muestra un ejemplo de topología combinando distintas potencias máximas y frecuencias de trabajo.

La figura -7- muestra una gráfica de un ejemplo de potencia máxima obtenible en función de la tensión, en un ejemplo mostrando carga de baterías de 350V, en paralelo, y de 700V, en serie.

La figura -8- muestra un ejemplo de alineación de las bobinas primarias y secundarias de acoplamiento en caso de múltiples módulos resonantes en el vehículo.

Realización preferente de la invención

El sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos objeto de la presente invención comprende básicamente, como puede apreciarse en el plano anexo, un dispositivo primario (1) dispuesto como estación de carga, normalmente fija, y uno o varios dispositivos secundarios (2), ubicados en los vehículos eléctricos, estando ambos acoplados inductivamente entre sí para la transferencia de energía eléctrica mientras el vehículo está parado, pudiendo ser aplicable también a vehículos en movimiento.

El dispositivo primario (1) incluye

- un convertidor AC/DC (3) que alimenta en continua a

- una pluralidad de módulos resonantes (4) controlables independientemente, que incorporan cada uno su correspondiente bobina primaria (12) de acoplamiento,

- un módulo de comunicaciones inalámbricas (9),

- un módulo de control (10) de los módulos resonantes (4) y

- un módulo de control (1 1) del convertidor AC/DC (3).

Cada dispositivo secundario (2) comprende a su vez

- uno o varios módulos resonantes (5), que incorporan cada uno su correspondiente bobina secundaria (13) de acoplamiento,

- uno o varios módulos convertidores AC/DC (6),

- uno conjunto de baterías (7) y

- un módulo de comunicaciones inalámbricas (8).

En caso de existir varios módulos resonantes (5) en el dispositivo secundario (2), ubicados en el vehículo eléctrico, pueden ir conectados en paralelo o en serie. Irán conectados en paralelo cuando se desee sumar la corriente transferida desde los módulos resonantes (4) del dispositivo primario (1), consiguiendo de esta forma adaptar perfectamente las necesidades de potencia requeridas por el vehículo eléctrico. Irán conectados en serie cuando se desee sumar la tensión entregada por cada uno, consiguiendo cargar conjuntos de baterías (7) de mayor tensión nominal, consiguiendo de esta forma adaptar perfectamente las necesidades de potencia requeridas por el vehículo eléctrico . Así, por ejemplo, si en una realización de la invención cada uno de los módulos resonantes (4) fuera de 25kW de potencia máxima, y 350V de tensión de carga, podríamos encontrarnos múltiples combinaciones de carga posibles, como por ejemplo:

- vehículo eléctrico con dos módulos resonantes (5) en paralelo (Fig. 2), que posibilitaría cargar un conjunto de baterías (7) de unos 350V, con una potencia máxima de 50kW, situación típica en el caso de algunas furgonetas o camiones.

- vehículo eléctrico con dos módulos resonantes (5) en serie (Fig. 3), que posibilitaría cargar un conjunto de baterías (7) de unos 700V, con una potencia máxima de 50kW, situación típica en el caso de algunas furgonetas o camiones.

- vehículo eléctrico con un único módulo resonante (5) (Fig. 4), que posibilitaría cargar un conjunto de baterías (7) de unos 350V, con una potencia máxima de 25kW, situación típica en el caso de un coche particular.

Obviamente con esta misma realización también sería posible cargar un vehículo con cuatro módulos resonantes (5) en paralelo, obteniendo en este caso 350V y 100kW, o bien con tres módulos resonantes (5) en serie, obteniendo en este caso 1050V y 100kW, u otra combinación que se necesitara dependiendo del conjunto de baterías (7) instalado en cada vehículo, permitiendo utilizar una misma estación de carga con vehículos de diferentes tipos y necesidades eléctricas.

Asimismo está previsto que, para poder adecuarse a la variedad de vehículos eléctricos existentes, los módulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) puedan tener todos la misma potencia máxima, o bien combinar módulos resonantes (4a, 4b) de diferentes potencias máximas P1 (4a) y P2 (4b), correspondientes a distintos módulos resonantes (6a, 6b) en el vehículo.

De la misma forma está previsto que los módulos resonantes (4) del dispositivo primario (1) puedan tener todos la misma frecuencia de trabajo, o bien combinar diferentes frecuencias de trabajo f1 , f2, etc ..

Este sistema de carga es susceptible de realización con cualquier topología de circuito de las conocidas, permitiendo incluso la combinación de varias de ellas.

Este sistema modular de carga inductiva para vehículos eléctricos comporta un procedimiento de operación característico que comprende una fase de alineación, una fase de configuración, una fase de carga y una fase de fin de carga.

La fase de alineación comprende la ubicación del vehículo eléctrico junto a la estación de carga, posicionándose de tal forma que se produzca la mejor alineación posible entre la bobina o bobinas secundarias (13) del dispositivo secundario (2), ubicadas en el vehículo eléctrico, y la bobina o bobinas primarias (12) del dispositivo secundario (2), ubicadas en la estación de carga. La fase de configuración, comprende el envío por parte del vehículo eléctrico, mediante su módulo de comunicaciones inalámbricas (8), de sus datos de configuración de la batería, como tensión o conexión serie / paralelo, identificación para el cobro, estado de la carga de la batería y otras señales de control, la recepción de esta información mediante el módulo de comunicaciones inalámbricas (9) del dispositivo primario (1), el cual la transmite al módulo de control (10) de los módulos resonantes (4) y al módulo de control (11) del convertidor AC/DC (3), y la activación por parte módulo de control (10) del módulo o módulos resonantes (4) necesarios en función de la configuración particular del vehículo eléctrico, configurándose automáticamente para transferir la potencia especificada por la batería del vehículo.

La fase de de carga comprende la transferencia inductiva de potencia entre el módulo o módulos resonantes (4) activados en la estación de carga y el módulo o módulos resonantes (5) del vehículo eléctrico, regulándose en tiempo real mediante el módulo de control (10) de los módulos resonantes (4) y el módulo de control (1 1) del convertidor AC/DC (3) en función de la información de carga recibida desde el conjunto de baterías (7) de vehículo eléctrico a través de los módulos de comunicaciones inalámbricas (8,9).

La fase de fin de carga comprende la desconexión del módulo o módulos resonantes (4) anteriormente activados al detectar el módulo de control (10) la carga completa por medio de la información suministrada desde el vehículo eléctrico a través de los módulos de comunicaciones inalámbricas (8,9).