SISTEMAS DE CARGA DE BATERÍAS Y ELECTROLINERAS

Transcripción

1 SISTEMAS DE CARGA DE BATERÍAS Y ELECTROLINERAS

2 Infraestructura para carga de PHEV: Caso V2G y V2H

3 Interfaz de Electrónica de Potencia en un PHEV

4 Sistema de Carga en un PHEV

5 Sistema de Carga en un PHEV

6 Electrolinera para VE 100% Eléctricos

7 Carga Inalámbrica de VE

8 Carga Inalámbrica de VE

9 Dispositivos Utilizados en Interfaces AC/DC y DC/DC

10 El Diodo de Potencia a) En polarización inversa: la unión formada por las capas p+n- al estar poco dopada soporta una tensión muy elevada. b) En polarización directa: la circulación de electrones desde la capa n+ inunda de electrones la capa n- con lo que desde el punto de vista de la caída en conducción es equivalente a un diodo muy dopado.

11 El Diodo de Potencia El símbolo y la característica del diodo es: i V BR 1 V V AK La ecuación fundamental del diodo (ecuación de Schockley) es: I V I Corriente a través del diodo en sentido directo,( A) voltaje del diodo en polarización directa,( V ) Corriente de fuga, típicamente 10 n Coeficiente de emisión, var ía entre 1 y 2 / ( V D T I nv D I S e 1) KT V Voltaje térmico V 26mV a25º D D S T T q 6 a A

12 Tiristor/SCR Definición: El tiristor (SCR, Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones PN con la disposición PNPN. Está formado por tres terminales, llamados Anodo, Cátodo y Puerta. El instante de conmutación, puede ser controlado con toda precisión actuando sobre el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal y rectificador.

13 Tiristor/SCR I A Corriente de sostenimiento I G2 Voltaje de corte inverso I G1 IG =0 V F Región de bloqueo directa Voltaje ruptura directo

14 Tiristor/SCR

15 MOSFETS El nombre de MOSFET, viene dado por las iniciales de los elementos que lo componen: Una fina película metálica (Metal - M). Oxido de silicio (Óxido - O); Región semiconductora (Semiconductor - S) El mosfet es un dispositivo unipolar, la conducción sólo es debida a un tipo de portador. Canal N: Conducción debido a electrones Canal P: Conducción debido a huecos

16 MOSFETS CANAL N D G S Substrato NOTAR: N METAL OXIDO SEMICONDUCTOR G SÍMBOLO P D Substrato S N De momento, vamos a olvidarnos del substrato. Posteriormente veremos que hacer con este terminal "inevitable" para que no afecte a la operación del dispositivo. Que no moleste!! NOTAR QUE EN PRINCIPIO ES UN DISPOSITIVO SIMÉTRICO

17 MOSFETS CANAL N I G = f(v GS, V DS ) Característica de entrada V DG + I D + En principio necesitamos conocer 3 tensiones y 3 corrientes: I D, I S, I G V GS + - I G - I S - V DS V DS, V DG, V GS En la práctica basta con conocer solo 2 corrientes y dos tensiones. I D = f(v DS, V GS ) Característica de salida Normalmente se trabaja con I D, I G, V DS y V GS. Por supuesto las otras dos pueden obtenerse fácilmente: I S = I D + I G

18 MOSFETS CANAL N PAPEL DE LA PUERTA (G) EN UN MOSFET DE CANAL N V GS = 0 D G S Substrato N P N Situación de partida. No es posible la conducción en ningún sentido

19 MOSFETS CANAL N PAPEL DE LA PUERTA (G) EN UN MOSFET DE CANAL N D V G GS = S Substrato N P N Por atracción electrostática la zona bajo la puerta (CANAL) se enriquece de cargas negativas (minoritarios de la zona P). El CANAL, así enriquecido, se comporta como una zona N (CANAL N)

20 MOSFETS CANAL N PAPEL DE LA PUERTA (G) EN UN MOSFET DE CANAL N D V GS = 20 G S Substrato N P N Al aumentar la tensión de puerta (V GS ), aumenta el canal. La situación es parecida al JFET, solo que ahora vamos aumentando el canal a medida que polarizamos positivamente la puerta (G)

21 MOSFETS CANAL N MOSFET DE CANAL N ( Que pasa con el substrato?) D G S Se une con S Substrato N canal P N D D D D G G S S S AHORA YA NO ES UN DISPOSITIVO SIMÉTRICO!!! S

22 IGBT Transistor Bipolar de Puerta Aislada, IGBT El Transistor Bipolar de Puerta Aislada, IGBT Insulate Gate Bipolar Transistor combina las ventajas de los BJT y los Mosfet. Tiene una impedancia de entrada elevada, como los Mosfet y bajas perdidas en conmutación, como los BJT, por lo que puede trabajar a elevada frecuencia y con grandes intensidades. Los IBGT fueron desarrollados hace relativamente poco tiempo, pero su evolución ha sido rápida debido a que han demostrado tener una resistencia en conducción muy baja y una elevada velocidad de conmutación (la transición desde el estado de conducción al de bloqueo se puede considerar de unos dos microsegundos, y la frecuencia puede estar en el rango de los 50KHz), además de una elevada tensión de ruptura.

23 Definición de Potencia: (Cargas no lineales) n0 V n1 v( t) Vsen( w t ) 1 o 1 i( t) I I sen( nw t ) o n o n n1 Potencia media absorbida por la carg a Vnmax Inmax PVoI o cos( n n) n1 2 0 V1I 1 Inmax P (0)( Io) cos( 1 1) cos( n n) V1 rmsi1rms cos( 1 1) 2 n2 2 El único término distinto de cero es el de la correspondiente a la frecuencia aplicada fp( factor donde I potencia ) rms I P S 2 nrms rms I P I 2 o rms V ( 1rms In ) 2 I 2 1rms V cos( 1 1) I 1rms rms I ( I 1rms rms )cos( ) 1 1

24 Definición de Potencia: (Cargas no lineales) Cuando la intensidad es tambien sinusoidal Factor de distorsión fp [cos( )] FD 1 1 I FD I 1rms rms Distorsión Armónica total ( DAT ó THD) fp cos( ) que es la reducción del factor de potencia 2 I nrms n1 2 I1 rms I 2 2 rms I1 rms 2 I1 rms Cuantifica la propiedadsinusoidal de una forma de onda. Relación entre el eficaz del término fundamental. 1 1 valor eficaz de todos lo términos correspondientes a las frecuencias distintas del fundamental y el valor cuando término continua es cero DAT V1I Q( potencia reactiva ) 2 donde D V 1rms n1 I 2 nrms 1 sen( ) V1 2 1 n1 I 1 2 n n2 I 1 I 2 n FD 1 1 ( DAT ) S( potencia aparente) I Factor de forma FF I rms med P 2 2 Q 2 Factor D 2 de pico FC I I pico rms

25 Definición de Potencia: (Cargas no lineales)

26 Conversión AC/DC RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA Este circuito sólo rectifica la mitad de la tensión de entrada; o sea, cuando el ánodo es positivo con respecto al cátodo. Podemos considerarlo como un circuito en el que la unidad rectificadora está en serie con la tensión de entrada y la carga. V s V V C C V 0 max Sen( wt) 0 wt wt 2 V Rs

27 Conversión AC/DC RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA V s V Rs V V dc dc Vmax V max 54.1V V V V dc dc dc 1 T T Vmax v( t) dt 0 V max Sen( wt) dt 0.318V max V rms 1 Vmax V max Senwtdwt 2 0 2

28 Conversión AC/DC RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA Potencia media en la carga: P dc 2 V 0.318V dc R R max 2 Potencia eficaz en la carga: P ac 2 V 0.5V rms R R max 2 Rendimien to: P n P dc ac 0.318V R 0.5V R max max V 0.5V max max %

29 Conversión AC/DC RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA Rectificador con Transformador de Toma Intermedia con carga resistiva: Puente Rectificador con Diodos con carga resistiva: D1 D3 Vs Rload D4 D2 0

30 Conversión AC/DC RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA V s + D1 D3 + V Rload Vs Rload D4 D2 0

31 Conversión AC/DC RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA Tensión media en la carga: V dc T 2 2 Vmax 2V Vmax Senwtdwt 636 T V 0 Tensión eficaz en la carga: T 2 0 max cos wt0 0. max 2 2 Vmax Vrms VSenwt max dwt V T 2 max n 0.636V 0.707V max max 2 2 R R %

32 Conversión AC/DC RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA V max Estudio para una carga RLE i c V Z max sen wt A e 1 R t L E R Z R 2 w 2 L arctg wl R i 1 2 casos: 1. Corriente continua 2. Corriente discontinua

33 Datos de simulación : R=2,5 L=6,5mH E=10 V Vs=120 V, f =60Hz

34 Conversión AC/DC

35 Conversión AC/DC Rectificador Trifásico de Onda Completa D1 D3 D5 a b R 100 Va Vb Vc c D4 D6 D2 0 En la figura, para la tensión en la carga vemos seis pulsos con una duración de /3, provocando en cada periodo una secuencia de conducción de los diodos tal que: D615; D1D2; D3D4; D4D5; D5D6; D6D1

36 Conversión AC/DC Rectificador Trifásico de Onda Completa La secuencia de conducción se corresponde con los seis voltajes senoidales por ciclo: Vab ; Vac ; Vbc ; Vba ; Vca ; Vab D1 D3 D5 a b R 100 Va Vb Vc c D4 D6 D2 0 El máximo voltaje será 3V max

37 Conversión AC/DC Rectificador Trifásico de Onda Completa V V dc dc Tensión media en la carga: 1 2x 2 / 3 1 2x 2 / 6 3 max V 3V cos( wt) dwt 1.654V max max 3 3 cos( wt) dwt V max V dc 1.654V max V dc 3 3 V F (max) 3 V L(max)

38 Conversión AC/DC Rectificador Trifásico de Onda Completa Tensión media en la carga: V V V rms rms rms 1 2 / max 3 V max V V max cos( wt) 2 dwt

39 Conversión AC/DC Rectificador Trifásico de Onda Completa Corriente media en los diodos: I D( dc) I max Coswtdt I D( dc) I max 2 Sen 6 I D( dc) I max Corriente eficaz en los diodos: I I D( rms) D( rms) I I max max Coswt 2 dt

40 Conversión AC/DC THD = 30.8% FP = 0.78 Rectificador Trifásico de Onda Completa Los harmónicos de la corriente de entrada al rectificador trifásico son: h=6k±1 ; k=1,2,3,4 R=2.5; Vll= 110Vrms

41 Conversión AC/DC Al adicionar un condensador para disminuir el rizado del voltaje de salida Rectificador Trifásico de Onda Completa R=2.5; C=10000 uf; Vll= 110Vrms

42 Conversión AC/DC La corriente de Línea se torna pulsante y THD = 141.4% FP = 0.53 R=2.5; C=10000 uf; Vll= 110Vrms

43 Conversión AC/DC El contenido armónico incrementa su magnitud Los harmónicos de la corriente de entrada al rectificador trifásico son: h=6k±1 ; k=1,2,3,4 R=2.5; C=10000 uf; Vll= 110Vrms

44 Conversión AC/DC Rectificadores Controlados trifásicos de onda completa I IV Para cada período de la tensión de alimentación, el circuito de disparo ha de suministrar 6 impulsos de control, distanciados 60 en el tiempo. Estos impulsos de control tienen una duración de (180 - a), contado desde el punto de conmutación natural.

45 Conversión AC/DC Rectificadores Controlados trifásicos de onda completa LA TENSION EN LAS FASES DEL SECUNDARIO (3 fases desfasadas 120 entre si) LAS TENSIONES DE LINEA (6 fases desfasadas 60 entre si) V an V ab V max V bn Sent 2 VmaxSent 3 V cn VmaxSent 2 3 3V max Sent 6 3V max Sent 2 V ca 3V max Sent 2 V bc

46 Conversión AC/DC Rectificadores Controlados trifásicos de onda completa El orden de conducción de los tiristores es:

47 Conversión AC/DC Rectificadores Controlados trifásicos de onda completa Con carga resistiva tendremos: (a 60 ) -Para a < 60 CORRIENTE CONTINUADA -Para a >60 CORRIENTE DISCONTINUA a

48 Conversión AC/DC

49 Conversión AC/DC Puente rectificador trifásico totalmente controlado Tensiones proporcionadas a la carga para distintos ángulos de disparo:

50 Conversión DC/DC V 0 + Carga REGULADOR LINEAL Vin -.. V PWM - in V 0 + Carga - REGULADOR CONMUTADO V 0(avg) + t on t off t T

51 Conversión DC/DC V 0 t on T Vin t off V 0(avg) t V Vo dc 1 T t T T 0 Vo( t) dt t T on V on 0 V dc in DVin in D = CICLO DE TRABAJO

52 Conversión DC/DC Vin t V 0(avg) V 0 T t on t off in T rms in dc dc DV dt t Vo T Vo R V D R Vo Io ) ( 1 DT o DT o R Vs D dt R t Vo T P dt t VoIo T P ) ( 1 ) ( 1 D R R DVs Vs Io Vs Ri /

53 Conversión DC/DC Es posible emplear únicamente un filtro L-C? V in. S1. S2... i L.. Diodo de Rueda libre + - V 0 No se puede porque se interrumpe bruscamente la corriente por el inductor El diodo proporciona un camino para la corriente del inductor

54 Conversión DC/DC V 0 Vin t on T t off t V F (t) D V in V in π n1 1 cos 2 Dn π n sin 2 π n f S t Nivel DC Armónicos de altas frecuencias. A frecuencias de conmutación del interruptor

55 Conversión DC/DC

56 Conversión DC/DC

57 Conversión DC/DC TOPOLOGIAS BÁSICAS ( con aislamiento) Convertidor directo ( Forward) Convertidor inverso ( flyback)

58 Conversión DC/DC: Carga VE

62 Corrección de Factor de Potencia en AC/DC monofásico

68 Filtro Activo de Potencia

69 Filtro Activo de Potencia

70 Filtro Activo de Potencia Cuando el control no actúa, los armónicos de corriente tienen magnitud importante.

71 Filtro Activo de Potencia Cuando el control actúa, los armónicos de corriente tienen magnitud despreciable.

72 Filtro Activo de Potencia El factor de potencia se hace igual a la unidad

73 Filtro Activo de Potencia Rechazo ante disturbios en el voltaje de salida (Carga adicional de 1 kw)

74 Filtro Activo de Potencia Las corrientes de línea quedan en fase con las corrientes

75 Electrolinera (Electrónica de Potencia)

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78 Recarga de VE

79 Conectores: SAE J1772 Cinco Terminales: Dos de corriente. Tierra. Proximidad. Comunicación.

80 Conectores: SAE J1772

81 Conectores: Mennekes Conector Alemán tipo industrial. Siete terminales: Cuatro para corriente trifásica. Tierra. Dos para comunicaciones Monofásico, hasta 16 A, para carga lenta. Trifásico, hasta 63 A (43.8 kw) para carga rápida.

82 Conectores: COMBO Propuesto por SAE y ACEA Colkswagen, Daimler, Porsche y BMW Chrysler, Ford y General Motors. Permite: Carga AC 1φ. Carga AC 3 φ. Carga DC lenta. Carga DC rápida La ACEA también ha seleccionado este sistema como su interfaz de corriente alterna/corriente continua para todos los nuevos tipos de vehículos en Europa a partir de 2017.

83 Conectores: SCAME Propuesto fabricantes franceses Admite hasta 32 A (carga semirápida) Tiene cinco bornes: Monofásico y trifásico. Tierra. Comunicaciones

84 Conectores: CHAdeMO Propuesto fabricantes japoneses: Mitsubishi, Nissan, Toyota y Fuji. Carga rápida en DC

85 CHAdeMO

86 CHAdeMO

87 Tipos de Recarga Recarga super-lenta: Intensidad de corriente inferior a 10 Amperios por no disponer de una base de recarga con protección e instalación eléctrica adecuada. Un vehículo con capacidad de 22 a 24 kwh puede recargarse entre 10 y 12 horas. Recarga lenta: (conocida como normal o convencional) se realiza a 16 A, demandando aproximadamente 3.6 kw con un tiempo de recarga entre 6 y 8 horas. Recarga semi-rápida: (Quick-Charge), menos rápida que la fast-charge, se realiza a una potencia de unos 22 kw a 25 kw. La recarga pueda tardar entre 1 hora y 1 hora y cuarto. Utilizado por Renault en su cargador de nombre Camaleón. Recarga super-rápida: Utilizado por Tesla Motors en su Tesla Model S con una potencia entre 90 y 120 kw. Recarga inos 250 km de autonomía en 20 minutos. Recarga ultra-rápida: Aun está en fase experimental. 130 a 150 kw en cinco o diez minutos. No apto para actuales baterías de Li-ion.

88 Modos de Recarga

89 Modos de Recarga

90 Modos de Recarga SAE J1772

91 Modos de Recarga CHAdeMO

92 Preguntas?