Diseño de un cargador rápido de baterías para
vehículos eléctricos enchufables en el punto de
conexión común de la red de distribución de
energía eléctrica
Design of a rapid plug in battery charger for electric vehicles at the common connection
point of the electrical power distribution network
Carlos Orellana Uguña
#1
, Luis González Morales
*2
, Karla Verdugo
#3
#
Instituto Superior Tecnológico Luis Rogerio González, Tecnología Superior en Electricidad
Azogues – Ecuador
1
mauricio.orellana@insteclrg.edu.ec
3
karla.verdugo@insteclrg.edu.ec
*
Universidad de Cuenca, Departamento de Electrónica
Cuenca - Ecuador
2
luis.gonzalez@ucuenca.edu.ec
Resumen—Este articulo presenta aspectos técnicos
relacionados con el diseño de estaciones de carga rápida de
vehículos eléctricos livianos menores a 1,5 toneladas,
pertenecientes al nivel 3 y modo de carga 4 en corriente
continua según la norma EN 61851, en el marco del estándar
IEEE ST 2030.1.1-2020, IEEE Std 1547-2018 e IEC 61000-
3-4. En relación con el diseño de la estación de carga este
artículo abarca únicamente lo relacionado al manejo de la
energía “sistema de conversión de energía”, que incluye los
dispositivos de procesamiento de energía (semiconductores,
filtros de línea, elementos pasivos).
Palabras clave: batería; convertidor de potencia CA/CC;
convertidor de potencia CC/CA; filtro armónico (LCL).
Abstract— This article shows technical aspects related to the
design of fast charging stations for light electrical vehicles
under 1,5 tons, belonging at level 3 and mode 4 of DC charging
according to EN 61851, within the framework of IEEE ST
2030.1.1-2022 standard, , IEEE Std 1547-2018 and IEC
61000-3-4. In relation to the design of the charging station the
article only covers the energy management “energy conversion
system”, which includes energy processing devices
(semiconductors, line filters and passive elements).
Keywords: battery; AC/DC power converters; DC/AC power
converters; harmonic filter (LCL).
I. INTRODUCCIÓN
En el marco regulatorio asociado a las estaciones de
carga de vehículos eléctricos existe una serie de normativas
internacionales detalladas en [1], donde se destacan la IEC
61851 y 62196 que están relacionadas con los sistemas de
carga de los vehículos eléctricos y conectores
respectivamente junto al estándar IEEE ST 2030.1.1TM-
2022 explicado en [2].
El estándar explicado en [2] menciona las características
importantes en lo que respecta a la conversión de energía
aplicado al modo de carga 4, la cual recomienda que el
rendimiento energético sea superior al 90 %, con una
tensión de salida entre 50 V
cc
– 500 V
cc
, corriente entre 0 A
- 125 A y un factor de potencia superior al 0,95 operando a
potencia nominal. Específicamente este estándar no refleja
la potencia nominal de la estación de carga rápida, sin
embargo, estaciones de cargas rápidas comerciales como es
el caso de la Terra 53 multi-standard charging station de
ABB, permiten hasta 50 kW de potencia en CC y opera con
distintos tipos de conectores. De igual modo, el estándar en
mención indica el circuito de conversión típico para la
estación de carga, en la cual se observa que se cuenta con un
conjunto de convertidores de potencia, iniciando con un
convertidor CA/CC, que tiene la función de convertir la
tensión alterna en continuo. Esta etapa es la encargada de
manejar la corriente de entrada con baja distorsión armónica
(THD), usualmente se utilizan convertidores con sistemas
de corrección de factor de potencia (PFC). A continuación
de la etapa rectificadora se acopla un inversor CC/CA que
convierte la corriente continua en alterna de alta frecuencia.
El estándar IEEE ST 2030.1.1-2022 recomienda el uso de
topología de conversión aislada, con esto la estación de
carga contará con doble aislamiento galvánico, conformado
por el transformador del sistema eléctrico de distribución y
el transformador conectado después de la etapa CC/CA.
Este aspecto tiene una importancia destacada para efectos
de seguridad ya que contribuye a reducir riesgos de
descargas eléctricas cuando los usuarios tengan contacto
con el vehículo al momento del proceso de carga
[3]. A
continuación del transformador de aislamiento se indica un
convertidor CA/CC, cuya función es rectificar la
componente de tensión alterno de alta frecuencia en tensión
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Recibido: 03/06/22; Aceptado: 21/11/22
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.6.2.161.2022
Original Article
continuo con un reducido componente de rizado como se
enuncia en el estándar IEEE ST 2030.
Existen diferentes trabajos de investigación que proponen
diseños de estaciones de carga como los descritos en [4], [5]
y [6] pero no son de carga rápida, pues las potencias de
diseño son inferiores a los 50 kW y los tiempos de recarga
de las baterías son superiores a 1 hora.
En [7] se propone una topología de estación de carga
bidireccional CC/CC de segundo nivel con una potencia y
corriente máxima de 20 kW y 90 A respectivamente, con el
inconveniente de que el tiempo de recarga de las baterías
son superiores a 1 ahora [3], además no presenta la
topología de diseño del conversor bidireccional CA/CC
En la Fig. 1, se indica la configuración del cargador
según el estándar IEEE ST 2030.1.1-2022.
Fig. 1. Configuración típica de un cargador según el estándar IEEE ST
2030.1.1-2022.
Este tipo de topología será utilizado en el presente trabajo
de investigación para realizar el diseño de la estación de
carga rápida, desde la etapa de filtro del puente rectificador
CA/CC hasta la batería del vehículo eléctrico.
El filtro será diseñado para que la máxima distorsión
armónica de corriente sea menor o igual al 4 % según lo
indicado en el estándar IEEE Std 1547-2018 [8]. De igual
manera, el diseño cumplirá con la norma IEC 61000-3-4, el
cual establece valores permisibles para la variación nominal
de tensión (± 2%) y variación de frecuencia (± 0,5%).
II. ASPECTOS TÉCNICOS DE DISEÑO EN ESTACIONES DE
CARGA RÁPIDA APLICADO A VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
A. Diseño del puente rectificador trifásico controlado
(CA/CC).
El convertidor de potencia CA/CC descrito en el estándar
IEEE 2030.1.2022 debe cumplir el valor permisible de
distorsión armónica de corriente establecido por la IEC
61000-3-4, por lo que, se ha escogido un rectificador
trifásico controlado de 2 niveles, indicado en la Fig. 2.
Fig. 2. Puente rectificador trifásico controlado.
Las consideraciones técnicas generales del convertidor se
indican en la Tabla I.
TABLA I
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA ENTRADA A LA ESTACIÓN DE CARGA.
Características Valor
Potencia nominal 50 kW
Tensión línea-línea de la red
de distribución
400 Vrms
Para el desarrollo del convertidor de potencia se propone
el uso de un convertidor integrado compuesto por
transistores de puerta aislada IGBT y diodos en anti paralelo
del tipo SKiiP 613 GD123-3DUL V3. Las características de
este convertidor son: tensión de polarización inversa de
1200 V
ca
, corriente nominal de 444 A y frecuencia de
conmutación máxima de 15 kHz, aspectos importantes para
el diseño del filtro de entrada, condensador de enlace de
continua y sistema de control.
En la Fig. 3, se indica el comportamiento de la frecuencia
de conmutación en función de la temperatura de operación
del SKiiP 613 GD123-3DUL V3, en la cual se observa que
la frecuencia de conmutación disminuye en función al
incremento de temperatura ambiente, por ende, el
convertidor debe funcionar de manera correcta en
temperaturas extremas, por tal motivo se considera utilizar
una frecuencia de conmutación de 5 kHz que permite operar
bajo condiciones seguras ante temperaturas de 85
o
C
aproximadamente.
Fig. 3. Comportamiento de la frecuencia de conmutación en función de la
temperatura.
B. Condensador de acoplamiento.
Con relación al bus de enlace de corriente continua, uno
de los aspectos importantes es el dimensionamiento del
condensador de acoplamiento que permite interconectar la
etapa rectificadora (CA/CC) con la inversora (CC/CA),
calculado mediante la Eq. 1 [9].
3
1
2 2
sw
cc
cc
T
C i ma
V
(1)
donde T
sw
es el período asociado a la frecuencia de
conmutación (se definió en 5 kHz en función de la
temperatura de 85
o
C), ΔV
cc
definido como la tensión de
rizado que tendrá el bus de continua, en este tipo de
aplicación es habitual definirla en términos porcentuales del
valor de la tensión nominal del bus de continua, para ello se
considera la ficha técnica del SKiiP 613 GD123-3DUL V3,
con un valor igual a 900 V
cc
, pero por 0razones de seguridad
se fijó en 800 V
cc
, a partir de este valor lo habitual es
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considerar el 1 %, por lo que, el ΔV
cc
se ha fijado en 8 V
cc
,
i
cc
corresponde a la corriente promedio del enlace de
continua, esta depende de la potencia y tensión manejada en
el bus de continua, ma se refiere al índice de modulación de
operación a potencia nominal del rectificador trifásico
controlado, calculado mediante la Eq. 2.
( )
3
2 2
F F rms cc
V ma V
(2)
donde V
F-F (rms)
definido como la tensión línea-línea de la red
de distribución.
Bajo estas consideraciones, los valores nominales
calculados para el enlace de continua se indican en la Tabla
II.
TABLA II
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE OPERACIÓN DEL RECTIFICADOR CA/CC
Parámetro Valor
V
F-F
400 V
ca
V
cc
800 V
cc
F
sw
5 kHz
ma 0,77
∆V
cc
8 V
cc
I
cc
62,5 A
C 256,8 uF
Para soportar la tensión de 800 V
cc
y cumplir con el valor
de 256,8 uF, los capacitores se conectan en serie – paralelo.
Esta configuración permite sobrepasar la capacitancia
mínima calculada, con un valor final de 4700 µF.
Esta configuración se indica en la Fig. 4.
Fig. 4. Puente rectificador trifásico controlado.
En la Fig. 4, se observa en conjunto de resistencias
denominadas resistencias de ecualización (R
1
), asociadas a
los capacitores del bus de continua, estas cumplen la
función de equiparar la tensión de cada uno de los
capacitores de manera que no superen en este caso los 450
V
cc
. Para el dimensionamiento de R
1
se utiliza el método de
análisis estadístico en función al número de capacitores
colocados en paralelo, en este caso para el
dimensionamiento del equipo se ha seleccionado un valor
de 27 kΩ, perteneciente al modelo YP1027KJ de la marca
TYCO.
C. Filtro de entrada en el lado de CA de baja y alta
frecuencia de modo común
Con el fin de cumplir con la normativa IEC 61000-3-12,
en donde se indica los aspectos técnicos sobre la emisión de
armónicos en equipos de corriente de línea superior a los 16
A, el presente trabajo de investigación optó por el uso de un
filtro trifásico de tipo LCL, indicado en la Fig. 5.
Fig. 5. Configuración del filtro LCL.
El procedimiento utilizado para dimensionar el filtro
LCL que se explica en [10], [11] y consiste en:
1) Cálculo de L: inductancia asociada a lado del
rectificador trifásico controlado, calculado mediante la Eq.
3.
0,55
F F
fase sw
V ma
L
i f
(3)
donde Δi
fase
es la variación máxima deseada en la corriente
de línea, en este sentido se ha definido a esta variación
como el 5% de la corriente pico operando a potencia
nominal, por lo que, Δi
fase
= 5,3 A y f
sw
es la frecuencia de
conmutación definida en 5 kHz.
Bajo estas condiciones se obtiene una inductancia igual a
L ≤ 0,55 mH.
2) Cálculo de L
g
: inductancia asociada al lado de la red
de distribución, la cual se calcula mediante la Eq. 4.
5 10
g
L
L
(4)
Con esta ecuación se tiene 55 µH ≤ L
g
≤ 100 µH, por lo
que se escoge el valor de L
g
= 80 µH.
3) Cálculo del condensador C: determinado entre otros
factores por la frecuencia de resonancia del filtro a diseñar,
calculada por la Eq. 5.
0
1
2
g
g
L L
f
L L C
(5)
A efectos de la dinámica de control, es necesario definir
la frecuencia de resonancia en el rango establecido por 10 *
f
red
< f
0
< 0,5 * f
sw
. Bajo este criterio se ha definido la
frecuencia de resonancia del filtro LCL en f
0
= 1,2 kHz.
Una vez definido los valores de L
g
, L y f
0
se procede a
utilizar la Eq. 5, para calcular el valor del condensador,
resultando C = 251,87 µF.
En la Fig. 5, se observa resistencias en serie con los
capacitores denominadas resistencias de amortiguamiento
(R
d
), a fin de reducir el efecto de la resonancia del filtro,
para obtener su valor es común dimensionarlas mediante la
Eq. 6.
0
1 1
3 2
d
R
f C
(6)
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Para el cálculo de la corriente que debe soportar la
resistencia de amortiguamiento se utiliza la Eq. 7.
380
3
1
2
r d
f
e
i
Cf
(7)
donde i
f
es la corriente que circula por la resistencia de
amortiguamiento y f
red
es la frecuencia de la red (60 Hz).
Aplicando la Eq. 6 y Eq. 7, resulta R
d
= 0,17 Ω e i
f >
20,67 A.
D. Dimensionamiento del condensador de amortiguamiento
(Cs) en el puente rectificador trifásico controlado.
Debido a las imperfecciones relacionadas con las
inductancias parásitas presentes en el bus de continua, se
pueden presentar dinámicas en la tensión, en los extremos
colector - emisor de los transistores que superen los
máximos dados por el fabricante, para evitar estos
inconvenientes existen capacitores que ayudan a suprimir
las sobretensiones, para este objetivo se utiliza capacitores
de 0,47 µF de acuerdo con las recomendaciones prácticas de
Technical Explanation SKiiP 3 V3, como se indica en la Fig.
6.
Fig. 6. Ubicación del capacitor de amortiguamiento.
E. Sistema de control del puente rectificador trifásico
controlado (CA/CC).
El control del rectificador CA/CC puede ser
implementado mediante distintas técnicas, sin embargo, en
aplicaciones industriales es común utilizar un control PI en
el marco de referencia síncrono d-q y modulador PWM,
indicado en la Fig. 7.
Para la sintonización del lazo de control de corriente se
utiliza lo descrito en control de un sistema de energía
basado en volantes de inercia para mitigar los huecos de
tensión n el punto de conexión común, que utiliza la Eq. 8
[12].
( ) ( )
0
( ) ( )
~ ~
~ ~
d s q s
x
d s q s
V
i i
L s R
d d
(8)
donde V
0
es la tensión del bus de continua, L es la
inductancia de entrada del filtro LCL, R
x
está asociado a las
pérdidas de los elementos pasivos y semiconductores en el
convertidor y s es la transformada de Laplace [12].
De igual manera, se cumplen las ecuaciones de los
balances de energía asociadas a los capacitores del bus de
continua que se representan mediante las Eqs. 9 y 10 [12].
0
~
_
_
DC link q
q
Dc link
V D
I
i
C s
V
(9)
_
2 2
f n
q
DC link
V
D
V
(10)
donde D
q
es el índice de modulación, C es la capacitancia
total de los capacitores que conforman el bus de continua, I
0
es la corriente que circula desde el puente rectificador hacia
el bus de continua, V
dc-link
es la tensión del bus de continua, s
es el operador de Laplace [12].
La sintonización de los PI para los diferentes lazos de
control se realiza por asignación de polos y ceros,
considerando lo siguiente:[12]:
La frecuencia de conmutación en este trabajo se ha
fijado en 5 kHz, lo que limita las dinámicas de los
lazos de corriente, dado que para frecuencias
superiores a f
sw
/ 2 = 2,5 kHz, la técnica del
modelado pierde validez.
A partir de la frecuencia de sintonización del PI
para el lazo de corriente, se debe sintonizar una
década a partir de dicha frecuencia para los lazos
restantes de control.
El margen de fase del diagrama de Bode tiene que
ser mayor o igual a 60
o
eléctricos.
El margen de ganancia mayor o igual a 7dB.
Considerando estos aspectos, los parámetros del
controlador PI son: lazo de corriente, k
p
= 0,00944 y k
i
=
0,34276, y lazo de tensión, k
p
= 9,066 y k
i
= 332,99.
F. Diseño del inversor CC/CA.
Los convertidores de potencia CC/CA son una parte
importante dentro de las fuentes de poder conmutadas y
pueden clasificarse en aisladas y no aisladas. Dentro de las
aisladas son populares las convertidores forward, flyback,
half-bridge y full-bridge. En especial, el convertidor full-
bridge o puente completo se destaca por su operación
simétrica en el transformador de aislamiento y su gran
capacidad de potencia sin operar en la región de saturación
magnética.
Existen distintas técnicas de modulación para los
convertidores CC/CA de puente completo, uno de ellos es la
modulación por desplazamiento de fase y modulación PWM.
La Fig. 8, indica el esquema clásico del convertidor
CC/CA puente completo.
Fig. 8. Inversor CC/CA, puente completo.
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En la Tabla III, se indican las características importantes
del convertidor CC/CA.
TABLA III.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL RECTIFICADOR CC/CA.
Parámetro Valor
P
nominal
50 kW
V
cc
800 V
F
sw
25 kHz
V
salida
200 Vca – 500 Vca
I
salida
0 A – 125 A
G. Dimensionamiento de la relación de transformación
(transformador de aislamiento galvánico).
Uno de los componentes principales en el convertidor
puente completo es el transformador de aislamiento, para
efecto de su dimensionamiento se utiliza las consideraciones
técnicas presentadas en [13].
Mediante la Eq. 11, se calcula la relación de
transformación.
salida cc eff
V V N D
(11)
donde N es la relación de trasformación, V
salida
según el
estándar IEEE 2030 es la tensión de salida del convertidor
CC/CA con un valor igual al de la Tabla III, V
cc
es la
tensión del bus de continua, D
eff
es el ciclo de carga efectiva,
para la selección del mismo se considera un rango entre 0,8
< D
eff
< 0,9, bajo esta consideración se ha definido D
eff
=
0,85.
Con estos valores, la relación de transformación es igual
a N = 0,6617.
Una vez calculada la relación de transformación es
importante determinar los aspectos técnicos de construcción
de mayor interés, los cuales son: tipo de núcleo a utilizar,
número de vueltas para cada devanado y tamaño de la
sección de cobre que es necesario para la circulación de
corriente sin que presente sobre calentamiento por las
pérdidas de energía. En este sentido, la Eq. 12 representa la
relación de espiras del devanado primario en función de los
parámetros de importancia del circuito y el núcleo a utilizar.
max
2
2
eff
cc
p
fe sw
D
V
N
A B f
(12)
donde N
p
es el número de espiras primarias del
transformador, A
fe
representa el área efectiva en el hierro del
núcleo (dada por el fabricante), B
max
representa la densidad
de flujo (dada por el fabricante).
Para el diseño se recomienda el uso del núcleo de la serie
VITROPERM 500 F del fabricante VACUUMSCHMELZE
(VAC), cuya ficha técnica indica lo siguiente: A
fe
= 4,75
cm
2
, B
max
= 1,1 T, sin embargo, este flujo está limitado por
la aplicación fijándola a un 30% del valor nominal,
resultando B
max
= 0,4 T.
Si se utilizan dos núcleos colocados como pila, la sección
equivalente se incrementa a 2 * 4,75 cm
2
, a una frecuencia
de conmutación de f
sw
= 25 kHz.
Fig.7. Lazo de control del puente rectificador trifásico controlado
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Aplicando la Eq. 12, se obtiene N
p
= 17,89 aproximando
a 18 vueltas, considerando N = 0,6617 se procede a calcular
el número de espiras secundarias, N
s
= 12 vueltas.
Para el cálculo de las inductancia de fuga asociada al
trasformador se utiliza la consideraciones técnica presentada
en [14] conjuntamente con la Eq. 13.
(1 )
4
cc eff
lk
salida sw
N V D
L
I F
(13)
donde L
lk
es la inductancia de fugas asociadas al
transformador, I
salida
es la corriente de salida a potencia
nominal.
Con estos valores, la inductancia de fuga es igual a L
lk
=
6,633 µH.
H. Dimensionamiento del filtro LC.
La peor condición de funcionamiento para el efecto del
rizado de la corriente en el filtro de salida ocurre en la
corriente nominal de 125 A, por lo que, la inductancia se
debe calcular en función de ese valor.
Para el cálculo de la inductancia se utiliza la Eq. 14.
V t
L
I
(14)
donde ΔV es la variación de tensión, calculada mediante la
Eq. 15, Δt es la variación de tiempo, calculada mediante la
Eq. 16 y ΔI es la corriente pico al doble de la frecuencia de
conmutación definida como 2 veces la corriente nominal de
salida.
Para el cálculo de la variación de tensión (ΔV) se utiliza la
Eq. 15.
_ min
s
cc eff salida imo
p
N
V V D V
N
(15)
donde V
salida_mínima
es la tensión mínima de salida igual a 450
V
ca
.
Al calcular la Eq. 15 y Eq. 16, el valor de la inductancia
resulta L > 23,3 µH.
Para el cálculo del capacitor de salida se considera la
misma condición establecida en la magnitud de rizado de
corriente del inductor de salida y la Eq. 17.
2
cc
I
t
V
C
(17)
donde C es el capacitor de salida, ΔVcc es el rizado máximo
de tensión cuando opera a máxima corriente de salida,
establecido como ΔVcc = 500 * 0,5% = 2,5 V y Δt es la
variación de tiempo de carga del capacitor, establecido en
Δt = 1 / 4 * f
sw
.
Al aplicar estos valores resulta C > 500 µF.
Para cumplir el valor del capacitor se recomienda colocar
cuatro condensadores en serie - paralelo. Los capacitores
recomendados tienen una capacidad de 10000 µF. Es
importante destacar que estos capacitores presentan una
resistencia equivalente serie de 15 mΩ, representados como
R
1
.
En la Fig. 9, se indica el modelo de simulación del filtro
LC.
Fig. 9. Modelo de filtro LC.
I. Control del inversor CC/CA.
La etapa del sistema de procesamiento de energía para la
carga de los vehículos eléctricos recae sobre la gestión de
control en el inversor CC/CA, para ello es necesario
modelar el tipo de batería, en este sentido se optó el modelo
llamado freedom car descrito en [15], indicado en la Fig. 10.
Fig. 10. Modelo de la batería de Freedom CAR.
En la Fig. 10, VL es la tensión en el terminal de la batería,
R
p
es la resistencia de polarización interna de la batería, R
o
es la resistencia óhmica interna de la batería, C es la
capacidad de la batería en Ah y OCV es la tensión ideal de
la batería [15].
Para calcular VL, R
p
, R
o
y C, en el presente trabajo de
investigación se realizaron pruebas a una batería tipo 3, a un
nivel de tensión de 3,3 V
cc
con 6-7 celdas.
Los datos registrados se encuentran en la Tabla IV.
TABLA IV.
RESISTENCIAS INTERNAS PARA 6-7 CELDAS.
A partir de los datos de la Tabla IV, se realiza un reajuste
debido a que el nivel de tensión de salida del modelo
planteado para la carga de la batería es de 450 V
cc
.
Los reajustes de los valores se indica en la Tabla V.
TABLA V.
RESISTENCIAS INTERNAS.
Tensión
(V
cc
)
Resistencia
Resistencia
(mΩ)
Capacidad
(Ah)
Modelo
450 R
p
212 1405 Batería
Tensión
(V
cc
)
Resistencia
Resistencia
(mΩ)
Capacidad
(Ah)
Modelo
3,3
R
p
1,8
10
Batería
ion-litio,
tipo 3
R
o
5,1
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R
o
716
ion-
litio,
tipo 3
Los procesos de carga de las baterías de los vehículos
eléctricos están sujetos a dos modos de operación, los cuales
son: modo de corriente constante (CC) y modo de tensión
constante (CV), descritos a continuación:
1) Modo CC: bajo este modo de carga, el convertidor
de potencia inyecta una corriente constante a la
batería siempre que no se alcance la tensión
nominal de carga, bajo esta consideración la norma
IEEE 2030 establece una corriente máxima de 125
A. Este modo de carga es utilizado en el presente
trabajo.
2) Modo CT: también llamado de absorción, el
convertidor de potencia inyecta una corriente
variable a la batería, hasta que la tensión alcance su
valor nominal.
Para determinar el modelo del lazo de control de
corriente del inversor CC/CA se utiliza la Fig. 11.
Fig. 11. Circuito equivalente de conversión de energía.
De la Fig. 11, se obtiene la Eq. 11.
~
~
L
cc
eqv
V N
i
Ls Z
d
(11)
donde
~
~
L
i
d
es la función de trasferencia que relaciona a la
corriente que circula por el inductor con respecto al ciclo de
trabajo, V
cc
es el nivel de tensión de entrada, L es la
inductancia del filtro LC, s es el operador de la
transformada de Laplace, N constante y Z
eqv
es la
impedancia equivalente definida por la Eq. 12.
0
0
1
1
1
1
p
c
p
eqv
p
c
p
R
R R
C s R C s
Z
R
R R
C s R C s
(12)
donde R
c
es la resistencia equivalente del capacitor del filtro
LC.
Una vez calculada la función de trasferencia que
relaciona la corriente del inductor y el ciclo de trabajo, es
posible diseñar el lazo de control. El método utilizado se
basa en la asignación de polos y ceros, considerando lo
siguiente:
La frecuencia se debe ajustar a la mitad de la
frecuencia de conmutación. E
En esta aplicación se ha fijado la frecuencia de
corte en 9 kHz.
Con esta consideración, el controlador PI del lazo de
corriente posee un k
p
= 0,002177 y k
i
= 4,3559.
Finalizado el lazo de control de corriente en la carga de la
batería se procede a establecer un sistema de control para
manejar la carga bajo el control de tensión, para esto se
establece un control en cascada mediante el diagrama de
bloque indicado en la Fig. 12.
Fig. 12. Diagrama de bloques, lazo de control de tensión.
donde B
i
es la ganancia asociada al censado de la corriente
con valor unitario, B
v
es la ganancia asociada al censado de
la tensión con valor unitario, G
v
y G
i
son las funciones de
transferencia de los controladores PI del lazo de tensión y
corriente respectivamente, V
out
/ I
L
representa la función de
transferencia de la tensión de salida en función de la
corriente que circula por el inductor (calculada mediante la
Eq. 13).
salida
eqv
L
V
Z
I
(13)
Con esta consideración, el controlador PI del lazo de
tensión posee un kp = 5,57 y k
i
= 14290.
En la Fig. 13, se indica el modelo de control del inversor
CC/CA.
Fig. 13. Modelo de control DC/AC.
La Fig. 14, indica el modelo completo del cargador
conformado por la red eléctrica de distribución (incluido el
transformador de la red eléctrica de distribución), filtro LCL
para disminuir los armónicos del puente rectificador, lazo de
control de tensión y corriente del inversor CA/CC y CC/CA,
trasformador de aislamiento galvánico, puente de diodos
(CA/CC), filtro LC y batería tipo 3 de Ion – Litio.
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III. RESULTADOS.
Una vez desarrollado el sistema de control a corriente
constante de la estación de recarga, se procede a comprobar
el correcto funcionamiento del lazo de control de tensión del
enlace de continua, como se indica en la Fig. 15.
Fig. 15. Lazo de control de tensión del enlace de continua.
Al observar la Fig. 15, se comprueba que el tiempo de
estabilización para que el bus de continua (Vdc_link)
alcance el nivel de tensión de referencia (Vdc_lik_ref) es de
800 V
cc
es de 0,12 segundos.
En la Fig. 16, se indica el comportamiento de la batería bajo
un estado de carga inicial del 15% (SOC) perteneciente a un
nivel de tensión inicial de la batería de 350 V
cc
y un estado
final de 100 % perteneciente a un nivel de tensión final de
412 V
cc
.
En la misma Fig. 16, se observa el modo CC, debido a que
se inyecta una corriente constante de 125 A hasta que el
nivel de tensión de la batería alcance su valor de referencia
en un tiempo de 3,8 segundos, después de eso tiempo la
corriente disminuye paulatinamente a 0 A, pues la batería
alcanzó los 412 V
cc
.
Fig. 16. Comportamiento de la carga de la batería.
La potencia entregada por el puente CC/CA hacia la
batería es de 50 KW, como se puede apreciar en la Fig. 17.
En la misma Fig. se observa que en 3, 8 segundos cuando la
batería alcanza su nivel de tensión nominal de carga la
potencia entregada por el puente CC/CA empieza a decaer
hasta un valor de 0 W.
Fig. 14. Modelo completo del cargador de baterías
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Fig. 17. Potencia entrega del inversor CC/CA hacia la batería.
Además, se puede mencionar que el diseño del filtro LCL
cumple con lo establecido en la norma IEC 61000-3-12 e
IEEE Std 1547-2018, cuyo valor de THD es de 2%.
IV. CONCLUSIONES.
Una vez desarrollado el estudio técnico sobre el diseño
del sistema de procesamiento de energía aplicado a
estaciones de carga rápida en vehículos eléctricos y
considerando como referencia el estándar IEEE ST
2030.1.1-2022, se determinó el uso de una topología aislada,
que consiste en un rectificador trifásico controlado de 2
niveles como elemento de conversión de energía CA/CC,
bus de enlace de continua y un convertidor CC/CA puente
completo como elemento de aislamiento. En función de este
diseño, la distorsión armónica cumple con la normativa
sobre emisión de armónicos, lo que desde el punto de
calidad de energía no representan problema alguno sobre el
sistema de distribución.
El modo de carga para las baterías mediante la corriente
constante aplicada en el presente trabajo de investigación
funcionó de forma correcta, pues permitió inyectar una
corriente de 125 A establecido en la norma IEEE 2030,
hasta alcanzar el nivel de tensión nominal de las baterías
con una eficiencia del 90%.
El modelo de cargador de batería es aplicable solo al tipo
3 ion-litio, pues los parámetros utilizados para modelar la
misma, permite calcular el controlador PI del lazo de
tensión y corriente del puente CC/CA, por ende, en el caso
de querer aplicar a las baterías tipo 1 y 2 se debe volver a
modelar la batería y a recalcular los parámetros del PI.
El controlador PI del lazo de tensión y corriente del
puente rectificador trifásico controlado presenta la ventaja
de que no depende del tipo de batería a ser cargada.
Una ventaja que presenta el lazo de tensión de la salida
del inversor CC/CA, es que permite cargar todo tipo de
baterías solo modificando el nivel de tensión de referencia.
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