Presentación de PowerPoint

SISTEMAS DE CARGA DE
BATERÍAS Y ELECTROLINERAS
Infraestructura para carga de
PHEV: Caso V2G y V2H
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5316226&tag=1
Interfaz de Electrónica de
Potencia en un PHEV
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6395261
Sistema de Carga en un PHEV
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5170004
Sistema de Carga en un PHEV
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5170004
Electrolinera para VE 100%
Eléctricos
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5661955&tag=1
Carga Inalámbrica de VE
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6488860
Carga Inalámbrica de VE
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6488860
Dispositivos Utilizados en
Interfaces AC/DC y DC/DC
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 ncon lo que desde el punto
de vista de la caída en
conducción es
equivalente a un diodo
muy dopado.
El Diodo de Potencia
El símbolo y la
característica del
diodo es:
i
V BR
1V
I D  Corriente a través del diodo en sentido directo , ( A)
La ecuación fundamental del diodo
(ecuación de Schockley) es:
I D  I S (e
V D / nVT
 1)
V D  voltaje del diodo en polarización directa , (V )
I S  Corriente de fuga , típicamente 10  6 a 10 15 A
n  Coeficient e de emisión, var ía entre 1 y 2
KT
VT  Voltaje térmico VT 
 26mV a 25º
q
V AK
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.
Tiristor/SCR
IA
Corriente de
sostenimiento
IG2
IG1
Voltaje de
corte
inverso
IG=0
VF
Región de
bloqueo
directa
Voltaje
ruptura
directo
Tiristor/SCR
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
MOSFETS CANAL N
G
D
N
S
N
P
NOTAR:
D
METAL
OXIDO
SEMICONDUCTOR
Substrato
G
SÍMBOLO
S
Substrato
NOTAR QUE EN
PRINCIPIO ES UN
DISPOSITIVO
SIMÉTRICO
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!!
MOSFETS CANAL N
IG = f(VGS, VDS) Característica de entrada
VDG
+
VGS
-
IG
ID
+
-
+
VDS
IS
-
En principio necesitamos
conocer 3 tensiones y 3
corrientes:
ID, IS, IG
VDS, VDG, VGS
En la práctica basta con conocer
solo 2 corrientes y dos
tensiones.
Normalmente se trabaja con ID,
IG, VDS y VGS.
ID = f(VDS, VGS) Característica de salida
Por supuesto las otras dos
pueden obtenerse fácilmente:
I S = I D + IG
MOSFETS CANAL N
PAPEL DE LA PUERTA (G) EN UN MOSFET DE CANAL N
VGS = 0
D
G
N
S
Substrato
N
P
Situación de partida.
No es posible la conducción en ningún sentido
MOSFETS CANAL N
PAPEL DE LA PUERTA (G) EN UN MOSFET DE CANAL N
D
N
VGS = 5
G
+++++ +++++
-----------
S
Substrato
N
P
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)
MOSFETS CANAL N
PAPEL DE LA PUERTA (G) EN UN MOSFET DE CANAL N
D
N
VGS = 20
G
+++++ +++++
--------------------P
S
Substrato
N
Al aumentar la tensión de puerta (VGS), aumenta el canal.
La situación es parecida al JFET, solo que ahora vamos aumentando
el canal a medida que polarizamos positivamente la puerta (G)
MOSFETS CANAL N
MOSFET DE CANAL N (¿ Que pasa con el substrato?)
S
G
D
canal
N
Se une con S
Substrato
N
P
D
D
D
S
D
S
G
G
S
¡¡¡ AHORA YA NO ES UN DISPOSITIVO SIMÉTRICO !!!
S
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.
Definición de Potencia:
(Cargas no lineales)
v(t )  V1sen(wot 1)

i(t )  Io  Insen(nwot  n )
n1
Potencia media absorbida por la c arg a


V I
P  VoIo   n max n max  cos(n  n )
2

n1 

 0 I n max 
 V1 I1 
P  (0)( I o )  
 cos ( n  n )  V1rms I1rms cos(1  1 )
 cos(1  1 )   
2
 2 

n2 
El único término distinto de cero es el de la correspondiente a la frecuencia aplicada
V I cos(1  1 )
I
P
P
fp ( factor potencia )  
 1rms 1rms
 ( 1rms ) cos(1  1 )
S Vrms I rms
V1rms I rms
I rms
donde
I rms 

I
n 0
2
nrms

 I o  (
2
n 1
In 2
)
2
Definición de Potencia:
(Cargas no lineales)
Cuando la intensidad es tambien sinusoidal fp  cos(1  1 )
Factor de distorsión
FD 
I1rms
I rms
que es la reducción del factor de potencia
fp  [cos(1  1 )]FD
I
Distorsión Armónica total ( DAT ó THD) 
n 1
2
nrms
I1rms
2
I rms  I1rms
2
I1rms
2

2
Cuantifica la propiedad sinusoidal de una forma de onda. Relación entre el valor eficaz
de todos lo términos correspondientes a las frecuencia s distintas del fundamental y el valor
eficaz del término fundamental.

cuando término continua es cero DAT 
Q( potencia reactiva ) 
donde D  V1rms

n2
I1
2
n
FD 
1
1  ( DAT ) 2
V1 I1
sen(1  1 ) S ( potencia aparente )  P 2  Q 2  D 2
2
 I nrms 
n 1
I
2
V1
2

I
n 1
2
n
Factor de forma FF 
I rms
I med
Factor de pico FC 
I pico
I rms
Definición de Potencia:
(Cargas no lineales)
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.
Vs
VRs
VC  Vmax Sen( wt )
VC  0
0  wt  
  wt  2
Conversión AC/DC
Vs
RECTIFICADOR
MONOFÁSICO DE
MEDIA ONDA
VRs
Vdc 
Vdc 
Vmax

170

 0.318Vmax
Vdc
 54.1V
Vdc
1

T
T
 v(t )dt
0
1

2
Vdc 
Vrms 

V
max
0
Vmax

1
2
Sen ( wt ) dt
 0.318Vmax

Vmax


V
Senwtdwt

max

0
2
Conversión AC/DC
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA
Potencia media en la
carga:
Potencia eficaz en la
carga:
Rendimien
to:
P
n  dc 
Pac
Pdc
2
2


Vdc 
0.318Vmax 


Pac
2
2


Vrms 
0.5Vmax 


R
R
R
R
0.318Vmax 2
2


0
.
318
V
max
R

2
0.5Vmax 
0.5Vmax 2
R

0.101
 0.404  40.4% 
0.25
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
Rl oa d
Vs
D4
D2
0
Conversión AC/DC
RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA
Vs
+
D1
D3
+
Rl oa d
Vs
D4
D2
0
VRload
Conversión AC/DC
RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA
Tensión media en la carga:
T
V
2V
22

Vdc   Vmax Senwtdwt  max  cos wt 0  max  0.636Vmax
T 0


Tensión eficaz en la carga:
T
2
2
V
2
a
x
V

V
S
e
n
w
t
w
tm

0
.
7
0
7
V

d
r
m
s
m
a
x
m
a
x

T
2
0
0.636Vmax 2
n
0.707Vmax 
2
R  0.81  81% 
R
Conversión AC/DC
RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA
Vmax
Estudio para una carga RLE
R
 t
Vmax
E
ic 
senwt     A1e L 
Z
R
Z  R 2  w2 L2

0
i1
2
3
 wL 

 R 
  arctg 
2 casos:

1. Corriente continua
2. Corriente discontinua
Datos de simulación : R=2,5  L=6,5mH E=10 V Vs=120 V, f =60Hz
Conversión AC/DC
Conversión AC/DC
Rectificador Trifásico de Onda Completa
D1
D3
D5
a
R
10 0
b
c
Va
Vb
Vc
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
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
R
10 0
b
c
Va
Vb
Vc
D4
D6
D2
0
El máximo voltaje será
3Vmax
Conversión AC/DC
Rectificador Trifásico
de Onda Completa
Tensión media en la carga:

1 3
Vdc  2 x
Vmax cos( wt )dwt  1.654Vmax
2 / 3 

3

1 6
3 3
Vdc  2 x
3
V
cos(
wt
)
dwt

Vmax
max
2 / 6 0

Vdc  1.654Vmax
Vdc 
3 3

VF (max) 
3

VL (max)
Conversión AC/DC
Rectificador Trifásico
de Onda Completa
Tensión media en la carga:

Vrms
Vrms
Vrms
1 6
2



3
V
cos(
wt
)
dwt
max

2 / 6 0
 3 9 3
V


 2 4  max


 1.6554Vmax
Conversión AC/DC
Rectificador Trifásico
de Onda Completa
Corriente media en los diodos:

I D ( dc)
4

2
6
I
max
Coswtdt
0
 
Sen 

6
2
I D ( dc)  I max
I D ( dc)  0.3183I max
Corriente eficaz en los diodos:

I D ( rms)
4

2
6
 I
Coswt  dt
2
max
0
I D ( rms)  0.5518I max
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
Conversión AC/DC
Rectificador Trifásico
de Onda Completa
Al adicionar un condensador para
disminuir el rizado del voltaje de salida…
R=2.5; C=10000 uF; Vll= 110Vrms
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
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
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.
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)
Van  Vmax Sent
2 

Vbn  Vmax Sen t 

3


2 

Vcn  Vmax Sen t 

3 



Vab  3Vmax Sen t  
6



Vbc  3Vmax Sen t  
2



Vca  3Vmax Sen t  
2

Conversión AC/DC
Rectificadores Controlados trifásicos de onda completa
El orden de conducción de
los tiristores es:
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
Conversión AC/DC
Conversión AC/DC
Puente rectificador trifásico totalmente controlado
Tensiones proporcionadas a la carga para distintos ángulos de disparo:
Conversión DC/DC
..
+
Carga
REGULADOR LINEAL
V0
V
in
+
-
PWM
+
Carga REGULADOR CONMUTADO
Vin
V0(avg)
toff
ton
T
V0
t
Conversión DC/DC
V0
Vin
V0(avg)
t
toff
ton
T
T
ton
1
Vodc   Vo (t )dt  Vin
T 0
T
t on
V0 dc 
 Vin  D  Vin
T
D = CICLO DE
TRABAJO
Conversión DC/DC
V0
Vin
V0(avg)
t
toff
ton
T
DT
Vo
V
Iodc  dc  D in
R
R
1

2

   Vo (t )dt   DVin
T 0

T
Vorms
2
1
Po   VoIo (t )dt
T 0
Ri 
1
Po 
T
Vs
Vs
R


Io DVs / R D
DT

0
Vo 2 (t )
Vs 2
dt  D
R
R
Conversión DC/DC
¿Es posible emplear únicamente un filtro L-C?
.
.. .
S2
.
iL
.
Vin
S1
+
.
-
Diodo de Rueda libre
V0
No se puede porque se
interrumpe bruscamente la
corriente por el inductor
El diodo proporciona un
camino para la corriente
del inductor
Conversión DC/DC
V0
Vin
toff
ton
t
T
Vin   1  cos2  D  n  π 

VF (t)  D  Vin 

 sin2  π  n  f S   t 
π n 1 
n

Nivel DC
Armónicos de altas
frecuencias.
A frecuencias de
conmutación del interruptor
Conversión DC/DC
Conversión DC/DC
Conversión DC/DC
TOPOLOGIAS BÁSICAS ( con aislamiento)
Convertidor directo ( Forward)
Convertidor inverso ( flyback)
Conversión DC/DC: Carga VE
Conversión DC/DC: Carga VE
Conversión DC/DC: Carga VE
Conversión DC/DC: Carga VE
Corrección de Factor de
Potencia en AC/DC
monofásico
Corrección de Factor de
Potencia en AC/DC
monofásico
Corrección de Factor de
Potencia en AC/DC
monofásico
Corrección de Factor de
Potencia en AC/DC
monofásico
Corrección de Factor de
Potencia en AC/DC
monofásico
Corrección de Factor de
Potencia en AC/DC
monofásico
Filtro Activo de Potencia
Filtro Activo de Potencia
Filtro Activo de Potencia
Cuando el control no actúa, los armónicos de corriente tienen magnitud importante.
Filtro Activo de Potencia
Cuando el control actúa, los armónicos de corriente tienen magnitud despreciable.
Filtro Activo de Potencia
El factor de potencia se hace igual a la unidad
Filtro Activo de Potencia
Rechazo ante disturbios en el voltaje de salida (Carga adicional de 1 kW)
Filtro Activo de Potencia
Las corrientes de línea quedan en fase con las corrientes
Electrolinera (Electrónica de
Potencia)
Recarga de VE
Conectores: SAE J1772
Cinco Terminales:
• Dos de corriente.
• Tierra.
• Proximidad.
• Comunicación.
Conectores: SAE J1772
http://www.tecmovia.com/2012/10/16/sae-presenta-el-estandar-combinado-con-recarga-rapida-incluida/
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.
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.
Conectores: SCAME
Propuesto fabricantes franceses
Admite hasta 32 A (carga semirápida)
Tiene cinco bornes:
• Monofásico y trifásico.
• Tierra.
• Comunicaciones
Conectores: CHAdeMO
Propuesto fabricantes japoneses:
Mitsubishi, Nissan, Toyota y Fuji.
Carga rápida en DC
CHAdeMO
CHAdeMO
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.
Modos de Recarga
Modos de Recarga
Modos de Recarga
SAE J1772
Modos de Recarga
CHAdeMO
Preguntas?