VEHÍCULOS ELÉCTRICOS (EV)

Campo de Aplicación

La presente invención está relacionada con un convertidor de potencia parcial sin transformador (PPC) para la etapa DC-DC de estaciones de carga rápida de vehículos eléctricos (EV).

Descripción Del Arte Previo

La tecnología de vehículo eléctrico (EV) es una de las alternativas más prometedoras para reemplazar los vehículos convencionales de motor de combustión interna con fines de transporte. Entre los años 2010 y 2016, su mercado ha crecido considerablemente, mostrando un fuerte aumento en las ventas acumuladas, un espectro más amplio en términos de modelos y características, y una tasa de aceptación cada vez mayor entre los posibles conductores. Además, los fabricantes de automóviles han anunciado que se lanzarán más de 40 modelos al año 2021 , lo que respalda aún más las tasas de aceptación de los EV.

Para esta tecnología, uno de los componentes más críticos es el sistema de almacenamiento de la batería. Su densidad de energía, tiempo de carga, vida útil y costo definen el rendimiento del vehículo y, en consecuencia, es el principal impulsor del desarrollo de la tecnología. Los avances recientes en términos de costo y rendimiento de las baterías de iones de litio están permitiendo a los fabricantes aumentar la capacidad nominal de las baterías al rango de 60-100 kWh, lo que lleva a los EVs de largo alcance con capacidad de desplazamiento de más de 300 kilómetros (o más de 200 millas). Por extensión, el cargador de batería también es crucial para el desarrollo de EV, por lo que la búsqueda de mejoras en las arquitecturas de carga existentes también es una prioridad.

El proceso de carga de las baterías se puede realizar de diferentes maneras y se pueden encontrar varias configuraciones de conversión de energía, y generalmente se clasifican en niveles 1 , 2 y 3 dependiendo de la potencia nominal. Sin embargo, las industrias automotrices y de distribución de energía eléctrica están haciendo grandes esfuerzos y se están enfocando en el desarrollo de tecnologías de carga rápida de CC (DCFC). Además, debido al aumento en la capacidad de la batería en los vehículos eléctricos actuales y de próxima generación, diferentes fabricantes de automóviles han publicado declaraciones sobre un aumento importante en las clasificaciones de potencia actuales para DCFC de hasta 400 kW. El despliegue de redes DCFC permite un mayor grado de confianza del conductor, se ocupa de la ansiedad de rango, reduce drásticamente los tiempos de carga y permite viajes de larga distancia. Además, ayuda a quienes viven en ubicaciones residenciales de mayor densidad, donde la carga doméstica no es una solución sencilla. Finalmente, la existencia de tales redes permite utilizar los EV como único vehículo para sus desplazamientos, ya que les permite conducir sus vehículos eléctricos como un automóvil convencional.

El proceso de carga rápida de las baterías de EV requiere convertidores de mayor capacidad de potencia que los cargadores convencionales (50 a 400 kW por vehículo de carga), por lo que es poco probable que sea una aplicación residencial, por lo tanto, se mantendría en forma de infraestructura pública. Con el fin de apoyar aún más una posible adopción a gran escala de vehículos eléctricos en los próximos años, el desarrollo y la mejora en los convertidores de potencia de carga rápida es crucial. Dadas las clasificaciones de potencia de estos convertidores, y especialmente la cantidad de energía que esta aplicación podría concentrar potencialmente, la eficiencia, la densidad de potencia y los costos se han convertido en los principales factores de desarrollo de tecnología.

Actualmente, la mayoría de las topologías de carga rápida emplean un convertidor de potencia totalmente calificado para dar forma a las corrientes y voltajes que se inyectarán a la batería. Las clasificaciones de potencia cada vez mayores de los DCFCs cuestionarán aún más estas topologías y se requiere otro enfoque. Independientemente de la arquitectura de bus empleada en la estación, estos cargadores requieren una etapa DC-DC para cumplir con el perfil de carga de la batería como se muestra en el diagrama simplificado de la figura 1 . Por lo general, el proceso de carga de la batería se divide en dos etapas: corriente constante (CC) y voltaje constante (CV), también conocido como perfil de carga CC-CV. Además, la mayor parte de la energía de la batería se obtiene durante la etapa CC, lo que la convierte en un escenario clave para la carga rápida de alta potencia. Esto significa que, para recargar rápidamente la batería, el convertidor CC-CC solo es necesario para manejar esta clasificación de corriente. En otras palabras, siempre que el convertidor genere la corriente de carga requerida, su voltaje de salida puede ser una fracción del paquete de voltaje de la batería y conectarse en serie al voltaje de entrada, como se muestra en la figura 2.

El aumento de los poderes de carga junto con una aplicación que potencialmente concentra cantidades importantes de energía, aumenta enormemente el impacto de la eficiencia proporcionada por las etapas de conversión de energía. La reducción de potencia en la potencia que debe manejar el convertidor ofrece una técnica rentable para mejorar la eficiencia obtenida en el proceso de carga, i. e., la eficacia del convertidor solo afecta a una fracción de la potencia total dada por la relación de parcialidad.

El concepto de potencia parcial se ha introducido previamente en los sistemas de conversión de energía renovable. Los resultados prometedores en los sistemas fotovoltaicos junto con la menor variación en los niveles de voltaje de la batería durante el proceso de recarga hacen que el procesamiento de energía parcial sea un concepto atractivo para DCFC. Este enfoque tiene una naturaleza de costo inherente ya que la reducción en la potencia procesada por la etapa DC-DC se refleja directamente en el costo de la electrónica de potencia del cargador. Al calificar parcialmente la potencia que debe manejar el convertidor, los dispositivos de conmutación empleados deben soportar niveles reducidos de tensión / corriente, reduciendo así los costes de manera importante. Además, las frecuencias de conmutación se pueden aumentar sin comprometer el rendimiento general dado que estas pérdidas no estarán relacionadas con la potencia nominal del proceso de carga, solo una fracción de la misma, por lo tanto, se pueden emplear dispositivos convencionales basados en silicio. Una solución propuesta en“J. Rojas, H. Renaudineau, S. Kouro, and S. Rivera,“Partial power dc-dc converter for electric vehicle fast charging stations,” in IECON 2017 - 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Oct 2017, pp. 5274-5279”, requiere un convertidor CC-CC de aislamiento de alta frecuencia (HF) para introducir una fuente de tensión controlada entre el enlace CC y la batería, que proporcionará los grados de control necesarios para regular el proceso de carga de la batería. El aislamiento HF resuelve el problema, pero agrega complejidad de diseño, produce pérdidas magnéticas y no es fácilmente escalable a niveles de potencia superiores. Además, el transformador de HF no proporciona un aislamiento galvánico real para todo el sistema, debido a una conexión de derivación para la operación de potencia parcial. La invención presenta una nueva etapa DC-DC de conversión de energía parcial sin transformador HF, que puede reducir la potencia manejada por la etapa DC-DC sin sacrificar el control del proceso de carga rápida, y por lo tanto mejorar la eficiencia de la estación DCFC. Tampoco requiere la presencia de un transformador de alta frecuencia para permitir el control de la tensión entre el enlace CC y la tensión de la batería, como se presenta en la solución citada.

La patente de invención US9960687B2, de fecha 01.05.2018, de ELASSER AHMED y otros, titulada SYSTEM AND METHOD FOR A DC/DC CONVERTER, presenta alguna cercanía con la invención, en el sentido de que el circuito que convierte potencia solamente maneja una fracción de la potencia total que suministra el sistema a su carga, mientras que la otra parte es entregada directamente a la carga sin someterse a pérdidas de conversión. A pesar de lo anterior, ambas propuestas difieren considerablemente a nivel funcional y topológico. Primero, la invención citada está orientada como interfaz DC-DC entre el elemento almacenador de energía de un EV, HEV o PHEV y su sistema de tracción, mientras que la invención propuesta se orienta a la interfaz DC-DC entre el elemento almacenador de energía y la red eléctrica que proporcionará la energía de recarga. Esta diferencia impacta enormemente en la respuesta dinámica y en el modo de operación de ambos equipos al tratarse de regímenes absolutamente distintos, y en lo que respecta a nivel topológico, también existen grandes diferencias, tanto en la estructura del circuito, número de componentes activos necesitados, número de elementos pasivos, necesidad de aislación galvánica, principio de conmutación entre otros. El convertidor propuesto no requiere de una etapa de aislación de alta frecuencia en su estructura, lo que disminuye su costo, volumen y peso, haciéndolo más compacto que las soluciones que si requieren dicha etapa.

La solicitud de patente de invención US20180175732A1 de fecha 21.06.2018, de FUTUREWEI TECHNOLOGIES INC, titulada High-Efficiency Regulated Buck-Boost Converter, utiliza la conexión dividida de un enlace DC capacitivo, para reducir la tensión asociada al bloqueo de los dispositivos semiconductores y reducir así las pérdidas asociadas a esta etapa. Sin embargo, la operación de dicho convertidor requiere la asistencia de un circuito de balance de potencia, por lo que la parcialidad efectiva del sistema no es tal, dado que simplemente divide la potencia en más convertidores, en conclusión, las etapas de conversión son diferentes, tienen un mayor grado de complejidad y sus principios de operación también difieren.

La patente de invención US9627965B2, de fecha 18.04.2017, de DELTA ELECTRONICS INC, titulada High-efficiency regulated buck-boost converter, se basa en la conexión de un punto intermedio del enlace DC capacitivo, con la diferencia de que utiliza un switch de 3 posiciones para seleccionar el nivel de tensión requerido por la carga, mediante la modificación de la conexión del punto negativo de la carga alimentada. A nivel topológico, los circuitos también son diferentes, a pesar de que ambos realizan una reducción de la tensión manejada por el convertidor. Sin embargo, necesita utilizar 2 elementos almacenadores o bien regular el punto flotante de un condensador de enlace DC, para que la conversión de potencia parcial sea efectiva. Hay una clara diferencia operativa y circuital.

Se propone, una invención que presenta una nueva etapa DC-DC de conversión de energía parcial sin transformador HF, que puede reducir la potencia manejada por la etapa DC-DC sin sacrificar el control del proceso de carga rápida, y por lo tanto mejorar la eficiencia de la estación DCFC. No requiere la presencia de un transformador de alta frecuencia para permitir el control de la tensión entre el enlace CC y la tensión de la batería a cargar.

Resumen De La Invención

Un objetivo de la invención es disponer de un convertidor de potencia parcial sin transformador (PPC) para la etapa DC-DC de estaciones de carga rápida de vehículos eléctricos (EV), comprende uno o más canales (celda) de puente en H de conmutación, donde uno o más dicho puente en H de conmutación esta formado por semiconductores de conmutación forzada Sai , Sa2, Sa3 y Sa4, con un condensador flotante C de enlace de CC, un diodo de derivación D, y un inductor de salida L; en una configuración intercalada o multicanal, en donde la configuración de los uno o más canales puede ser replicada para conectarse en paralelo y poder dividir la corriente manejada por cada uno de ellos, en donde los semiconductores de conmutación forzada Sai , S _a 2, S _a 3 y S _a4 , pueden ser transistores bipolares de compuerta aislada IGBT; y el diodo de derivación D puede ser reemplazado por un dispositivo semiconductor activo tal como un IGBT, un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) u otro similar. La conexión de las celdas de puente en H de conmutación se realiza de forma no convencional, ya que el condensador flotante C de enlace de CC se conecta en los terminales CA ( V _p , i _c ) mientras que los terminales CC del puente H de conmutación, se utilizan para realizar la conexión en serie entre terminal positivo del voltaje de entrada V _d y el inductor de salida L, el inductor de salida L va conectado entre la salida del puente H y el terminal positivo del voltaje de la batería a cargar, con lo cual se regula tanto la tensión parcial V _p de la potencia parcial sin transformador como la corriente de salida ÍL que se inyecta a la batería a cargar. La celda de puente en H de conmutación se opera de tal manera que la tensión parcial V _p se suma o se resta a V _d para establecer la tensión del inductor de salida L y, por lo tanto, permite regular la corriente que se inyecta a la batería a cargar; para regular el proceso de carga, tanto el voltaje parcial Vp del condensador flotante C como la corriente de salida ÍL deben ser controladas, en donde estas dos variables están relacionadas con la suma y la diferencia de los ciclos de trabajo del puente H de conmutación, que opera con un método bipolar PWM. Para reducir la relación entre el voltaje parcial V _p y la corriente de salida k, se diseña un sistema de control que impone una dinámica lenta para los cambios en el voltaje parcial V _p para lo cual se elige un ancho de banda de bucle cerrado significativamente más pequeño en comparación con el bucle de corriente; así la dinámica lenta es compensada por el regulador del voltaje parcial V _p y su influencia en regimen estacionario se elimina. El sistema de control consiste en dos lazos cerrados, en donde el primer lazo es la arquitectura de control en cascada convencional, que regula el voltaje de la batería a cargar a través de la regulación interna de la corriente de salida del inductor de salida L, donde cada una de las cantidades mencionadas anteriormente están reguladas con controladores proporcionales- integrales (Pl), y su salida es d _å . las señales de referencia para este lazo de control están definidas por el sistema de manejo de la batería, además del perfil de carga seleccionado, que en este caso es el método de corriente constante (IC) - voltaje constante (VC); el segundo lazo de control es el que se usa para regular el voltaje parcial V _p , que también se controla a través de un controlador proporcional-integral (Pl) y su salida es d¿, y la referencia para este voltaje parcial V _p es la que establece la relación de parcialidad del sistema de control propuesto y, por lo tanto, define la cantidad de potencia que procesa el convertidor de potencia parcial sin transformador; Una vez que se han obtenido los ciclos de trabajo de suma y diferencia, di y d ₂ son reconstruidos y alimentados a un modulador de ancho de pulso para generar las señales de activación.

Breve Descripción de Las Figuras

La figura 1 describe un sistema de conversión de dos etapas para DCFC, del tipo Conversor de CC-CC de potencia nominal, que comprende el estado de la técnica.

La figura 2 describe un conversor de dos etapas para DCFC, del tipo Conversor de CC-CC de potencia parcial, que comprende el estado de la técnica.

La figura 3 describe la invención de un convertidor de potencia parcial para DCFC basado en celda H-bridge con condensador conmutado intercalado. La figura 4 describe los estados de conmutación y los circuitos equivalentes de la invención.

La figura 5 describe un esquema de control propuesto para la estación de carga parcialmente clasificada. La figura 6 describe una tabla con los parámetros de una de operación de carga de una batería.

La figura 7 describe la curva de salida de la corriente ÍL durante el modo CC.

La figura 8 describe la curva del resultado del voltaje parcial V _p , durante la operación.

La figura 9 describe la curva del resultado de la corriente en el condensador i _c durante la operación.

La figura 10 describe el comportamiento del voltaje de la batería durante la operación. La figura 1 1 describe el comportamiento de la corriente de la batería durante la operación.

La figura 12 describe el resultado del estado de la carga de la batería durante la operación.

La figura 13 describe la potencia total entregada y la potencia procesada por el convertidor de la invención.

La figura 14 describe la eficiencia comparada entre un convertidor de potencia completo y un convertidor de potencia parcial.

Descripción Detallada de Una Realización Preferida

El circuito de potencia propuesto para el convertidor de potencia parcial sin transformador que se muestra en la figura 3, que comprende, a lo menos, un canal (celda) de puente en H de conmutación, formado por los semiconductores de conmutación forzada Sai , S _a 2, S _a3 y S _a4 , como por ejemplo, un transistor bipolar de compuerta aislada IGBT, con un condensador flotante C de enlace de CC, un diodo de derivación D, el que también puede ser reemplazado por un dispositivo semiconductor activo tal como un IGBT, un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) u otro similar, y un inductor de salida L. Para alcanzar el nivel de potencia deseado a través de un enfoque modular y escalable, se utiliza una configuración intercalada o multicanal. En la figura 3, se aprecia en detalle la estructura del convertidor de potencia parcial sin transformador con un canal en detalle, el que puede ser replicado para conectarse en paralelo y poder dividir la corriente manejada por cada uno de ellos.

De la figura 3, también se observa cómo la conexión de las celdas de puente en H de conmutación se realiza de forma no convencional, ya que el condensador flotante C de enlace de CC se conecta en los terminales CA ( V _p , / _c ) mientras que los terminales CC del puente H de conmutación, se utilizan para realizar la conexión en serie entre terminal positivo del voltaje de entrada V _d y el inductor de salida L. Éste último va conectado entre la salida del puente H y el terminal positivo del voltaje de la batería a cargar. Esto permite regular tanto la tensión parcial Vp de la potencia parcial sin transformador como la corriente de salida ÍL que se inyecta a la batería a cargar.

Con los ajustes correspondientes, el convertidor de potencia parcial sin transformador presentado puede funcionar como una unidad reductora de voltaje (buck), al tiempo que proporciona mayor eficiencia y rendimiento en comparación con la topología convencional. Además, el hecho de que los interruptores tengan que bloquear voltajes reducidos, permite el uso de dispositivos de conmutación con clasificaciones más bajas, por lo tanto, reduce el tamaño y el costo de la unidad de carga rápida.

El objetivo del circuito de potencia es establecer arbitrariamente el voltaje parcial V _p a un valor que permita regular la corriente de salida ÍL del canal y, al mismo tiempo, mantener los instantes de conducción del diodo de derivación D al mínimo. El resultado es un convertidor de potencia parcial sin transformador que la mayoría de las veces funciona con interruptores que bloquean una tensión parcial, y durante los tiempos de encendido del diodo de derivación D, estos interruptores tienen que bloquear la mitad de la tensión continua de entrada, Este enfoque permite aumentar efectivamente la eficiencia de conversión de energía a pesar de que la estructura cuenta con un mayor número de dispositivos al compararlo a un convertidor buck convencional, que solo tiene un semiconductor.

Descripción operacional

Dependiendo del valor seleccionado de la tensión parcial V _p , el convertidor de potencia parcial sin transformador funciona como una unidad reductora de voltaje (buck) con una eficiencia mejorada. La celda de puente en H de conmutación se opera de tal manera que la tensión parcial V _p se suma o se resta a V _d para establecer la tensión del inductor de salida L y, por lo tanto, permite regular la corriente que se inyecta a la batería a cargar. Para determinar la relación entrada / salida del convertidor de potencia parcial sin transformador, se realiza un análisis de balance voltios-segundo basado en las cantidades definidas. Considerando que el convertidor de potencia parcial sin transformador está funcionando en estado estable, las variaciones en la corriente de salida ÍL durante sus procesos de carga y descarga deben ser iguales a lo largo de un período de conmutación, lo que lleva a:

Donde ti representa el tiempo cuando la tensión parcial se agrega a la tensión de entrada, estado de conmutación que se puede ver en la figura 4a, t ₂ es el tiempo cuando la tensión parcial se resta a ½ como se muestra en la figura 4b y t _d es el tiempo cuando el diodo de derivación D, conduce como ilustra la figura 4c. Al definir los ciclos de trabajo, esto es di=ti/T _s , d2=t2/T _s , d _d =t _d /T _s ), es posible determinar la relación entrada-salida del convertidor de potencia parcial sin transformador.

V _{b ~} V _d (.d i + d ₂ ) + V _p (d ₁ — d ₂ ) (3) Habiendo definido la función de transferencia de estado estable del convertidor de potencia parcial sin transformador propuesto, e introduciendo los ciclos de trabajo de suma y diferencia, las ecuaciones que modelan la dinámica del convertidor de potencia parcial sin transformador son las siguientes:

d _å — d + c? ₂ (6) d _å — d ^ c? ₂ (7)

Los ciclos de trabajo alternan entre los diferentes estados de conmutación del convertidor de potencia parcial sin transformador mostrado en la figura 3. Básicamente hay dos estados en los que se alterna la tensión parcial V _p del condensador flotante C entre la conexión positiva y negativa y un estado de derivación, en el que la corriente almacenada en el inductor de salida L circula libremente y se descarga a través del diodo de derivación D. El convertidor de potencia parcial sin transformador propuesto se comporta en gran medida como un convertidor regular en el que el interruptor activo se reemplaza por un interruptor de condensador controlado. El hecho de que la tensión parcial V _p sea la diferencia entre la tensión de entrada y de salida, produce la operación de potencia parcial en el convertidor de potencia parcial sin transformador. Hay que tener en cuenta que cuando opera en el estado de circulación libre, con la corriente nominal que fluye a través del inductor de salida L y el diodo de derivación D el convertidor de potencia parcial sin transformador se comporta exactamente como un convertidor clásico de potencia completa.

Esquema de control Para regular adecuadamente el proceso de carga, tanto el voltaje parcial

V _p del condensador flotante C como la corriente de salida deben controlarse. Estas dos variables están relacionadas con la suma y la diferencia de los ciclos de trabajo del puente H de conmutación, y su introducción simplifica el diseño del controlador. Al definir los ciclos de trabajo del dominio suma-delta y ajustar adecuadamente la dinámica del circuito cerrado, se diseña el esquema de control presentado en la figura 4 (a,b,c). El puente H de conmutación se opera con un método bipolar PWM.

Teniendo en cuenta que de acuerdo que existe una dependencia entre la corriente de salida ÍL en el voltaje parcial V _p y esto se aborda adecuadamente, para mantener la estabilidad del convertidor de potencia parcial sin transformador. Para reducir el acoplamiento antes mencionado, el regulador del voltaje parcial V _p se diseña de tal manera que impone una dinámica lenta para los cambios en el voltaje parcial V _p para lo cual se elige un ancho de banda de bucle cerrado significativamente más pequeño en comparación con el bucle de corriente. La dinámica lenta será compensada por el regulador del voltaje parcial V _p y su influencia en regimen estacionario se elimina.

Como se muestra en la figura 5, un sistema de control propuesto consiste en dos lazos cerrados. El primer lazo es la arquitectura de control en cascada convencional, que regula el voltaje de la batería a cargar a través de la regulación interna de la corriente de salida ÍL del inductor de salida L. Cada una de las cantidades mencionadas anteriormente están reguladas con controladores proporcionales-integrales (Pl), y su salida es d _å . Como de costumbre, las señales de referencia para este lazo de control están definidas por el sistema de manejo de la batería, además del perfil de carga seleccionado, que en este caso es el método de corriente constante (IC) - voltaje constante (VC), que significa intensidad constante - voltaje constante (IC-VC),

El segundo lazo de control es el que se usa para regular el voltaje parcial V _p , que también se controla a través de un Pl y su salida es d¿. Se debe tener en cuenta que la referencia para este voltaje parcial V _p es la que establece la relación de parcialidad del sistema de control propuesto y, por lo tanto, define la cantidad de potencia que procesa el convertidor de potencia parcial sin transformador. Una vez que se han obtenido los ciclos de trabajo de suma y diferencia, di y d _å son reconstruidos y alimentados a un modulador de ancho de pulso para generar las señales de activación. Resultados de operación

Para validar la configuración propuesta, se ha desarrollado un ensayo que considera una estación de carga rápida que proporciona una potencia de carga de 70 kW, mientras que el convertidor de potencia solo procesa aproximadamente 40 kW, con el perfil de carga CC-CV, y la transición entre los modos se realizará a SOC = 94%. Después de validar el método de conversión, se simula la misma conversión utilizando un convertidor de potencia completo convencional, con el fin de establecer una comparación en términos de la fluctuación de corriente y la eficiencia de conversión. La Tabla 6 presenta el resto de los parámetros del ensayo.

A. Rendimiento en estado estacionario

Dado que el convertidor de potencia parcial sin transformador opera inicialmente en el modo CC, la unidad de carga rápida alimenta la batería con su corriente nominal, que en un caso es de 200 A, como se muestra en la figura 7 la corriente a través de la batería, en el modo CC, sigue a la referencia de 200 A, esta corriente exhibe rizado de 7,527% de su valor promedio.

Luego, el convertidor de potencia parcial sin transformador puede regular de manera satisfactoria el proceso de carga, mientras se mantiene el voltaje parcial regulado a 200V como se ve en la figura 8. Se puede observar cómo la corriente ii_ y el voltaje del condensador V _p están estrechamente regulados. Además, se puede ver que los ciclos de carga y descarga están bien equilibrados, lo que permite mantener el voltaje parcial V _p controlado, como se muestra en la figura 8. El voltaje del convertidor de potencia parcial sin transformador presenta un rizado de 3,487 V, equivalente al 1 ,74% de su valor promedio. En consecuencia, la corriente neta que fluye a través del condensador flotante C es cero de acuerdo con la figura 9.

Una mirada más amplia de la operación de carga rápida se presenta en las figuras 10 y 1 1 , que presentan las cantidades de la batería durante todo el proceso de carga. Se observa claramente el perfil de carga IC-VC, lo que significa que el proceso de carga de la batería tiene dos modos de operación. Primero, durante el modo IC se proporciona una corriente constante a la batería hasta que el controlador cambia al modo VC en t = 342, 6s, cuando alcanza un estado de carga particular. En este modo, la corriente comienza a decrecer exponencialmente hasta que la corriente a través de la batería alcanza el 10% de este valor inicial y el Estado de Carga (SOC) alcanza el 94% como se muestra en la figura 12.

Como se mencionó anteriormente, la principal característica de la topología de carga propuesta es la reducción en la potencia que deben manejar los componentes electrónicos de potencia. En los resultados presentes, se observa que la potencia total entregada a la batería alcanza aproximadamente 68,4 kW durante el modo CC, de acuerdo con las mediciones en la figura 12. Sin embargo, la potencia realmente manejada por el convertidor de potencia parcial sin transformador es simplemente de 40, 1 kW. De este modo, el convertidor de potencia parcial sin transformador opera con una relación de potencia parcial de 58,62% durante todo el proceso de carga como se muestra en la figura 13. Como se mencionó anteriormente, la relación de potencia parcial depende del voltaje parcial V _p , y considerando que esta tensión permanece constante durante toda la prueba, el convertidor también mantiene su parcialidad.

B. Evaluación de pérdidas

Una vez que se ha validado la operación del convertidor de potencia parcial sin transformador, se requiere un análisis de eficiencia. Con el fin de evaluar el rendimiento de la eficiencia del convertidor de potencia parcial sin transformador, se consideran las siguientes pérdidas de conmutación y conducción; para este propósito, se emplea la herramienta de modelado térmico del software PLECS. La descripción térmica requerida para este ensayo se ha extraído de las hojas de datos de los dispositivos. Se consideran IXYS IXGN200N60B3 IGBT y GP2D060A120B diodo de carburo de silicio.

Para hacer una comparación de la configuración propuesta, se realizan pruebas con un convertidor de potencia completa convencional bajo las mismas condiciones de operación y proporcionando la misma cantidad de potencia a la carga. La figura 14 muestra la comparación de eficiencia entre los dos convertidores, el convertidor de potencia parcial sin transformador propuesto tiene una eficiencia del 98,77% con respecto a una eficiencia del 94,87% del convertidor de potencia completo en el modo CC. La eficiencia en los dos convertidores crece ligeramente cuando el controlador cambia al modo CV, alcanzando al final de los valores del proceso de carga del 99,41 % para el convertidor de potencia parcial sin transformador y del 96,73% para el convertidor de potencia completo.

Conclusión La invención propone un convertidor de potencia parcial sin transformador basado en una topología de transformador de alta frecuencia para una estación de carga rápida de vehículo eléctrico. El convertidor de potencia parcial sin transformador aprovecha la ventaja de la característica de voltaje de los paquetes de baterías y solo procesa una parte de la potencia total proporcionada por el cargador. El resultado del método de conversión propuesto es una mejora importante en la eficiencia del convertidor. El convertidor de potencia parcial sin transformador solo maneja una fracción del voltaje del enlace de CC.