ES2521040T3

ES2521040T3 - Sistema de equilibrado de carga para baterías

Info

Publication number: ES2521040T3
Application number: ES11702059.4T
Authority: ES
Inventors: Sylvain Mercier; Daniel Chatroux; Julien Dauchy; Eric Fernandez
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2031-02-04
Also published as: WO2011095610A2; CN102823104B; KR101863717B1; JP5836283B2; US20130043842A1; CN102823104A; JP2013519351A; EP2532068B1; US9490639B2; EP2532068A2; WO2011095610A3; KR20130001234A

Abstract

Sistema de equilibrado para batería que comprende al menos dos fases de acumuladores (Eti) dispuestas en serie, comprendiendo cada fase de acumuladores (Eti) al menos un acumulador (Aij) colocado entre los polos negativo (Ni) y positivo (Pi) de la fase de acumuladores (Eti), caracterizado por que el indicado sistema comprende: - un generador de tensión (7) que comprende al menos un borne positivo (v2) y un borne negativo (v1), - por cada fase de acumuladores (Eti) un dispositivo de carga (5) asociado alimentado por el generador de tensión (7) y que comprende: . al menos una inductancia (L1i, L2i, L10i), . un primer condensador (C1i) cuyo primer extremo está conectado a un borne (v2, v1) del generador de tensión (7) y cuyo segundo extremo está conectado a una inductancia asociada (L1i L10i), . un segundo condensador (C2i) cuyo primer extremo está conectado a un borne (v1, v2) del generador de tensión (7) y cuyo segundo extremo está conectado con una inductancia asociada (L2i, L10i), . un primer diodo (D1i) conectado por su ánodo al polo negativo (Ni) de la fase de acumuladores asociada y por su cátodo con el segundo extremo del primer condensador (C1i), . un segundo diodo (D2i) conectado por su ánodo con el polo negativo (Ni) de la fase de acumuladores asociada y por su cátodo con el segundo extremo del segundo condensador (C2i), . al menos un diodo (D1i, D2i; D11i, D21i; D100i) conectado por su ánodo al polo negativo (Ni) de dicha fase de acumuladores asociada y conectado con un extremo de una inductancia (L1i, L2i, L10i) asociada, de forma que permita cuando el diodo (D1i, D2i; D11i, D21i, D100i) es conductor una circulación de una corriente de carga a través de la fase de acumuladores asociada, el diodo (D1i, D2i; D11i, D21i; D100i) y la inductancia (L1i, L2i, L10i) asociada; y . al menos un interruptor (SW1i, SW11i) conectado con una inductancia (L1i, L2i, L10i) y conectado a un polo (Pi) de la fase de acumuladores asociada, de forma que un interruptor (SW1i, SW11i), una inductancia (L1i, L2i, L10i) y un condensador (C1i, C2i) asociados con un dispositivo de carga (5) se conectan en serie entre un borne (v2, v1) del generador de tensión (7) y un polo de la fase de acumuladores asociada, y - un dispositivo de control (3) configurado: . para durante un tiempo de conducción aplicar una variación de tensión entre los bornes (v2, v1) del generador de tensión (7) y para cerrar el interruptor (SW1i, SW11i) de un dispositivo de carga (5) asociado con una fase de acumuladores (Eti) a cargar, de forma que la inductancia (L1i, L2i, L10i) y el interruptor (SW1i, SW11i) sean atravesados por una corriente de alimentación creciente procedente del generador de tensión (7) y que la inductancia (L1i, L2i,L10i) asociada almacene energía y . para al cabo del tiempo de conducción, interrumpir la corriente de alimentación a través de la inductancia asociada (L1i L2;, L10i) y permitir la transferencia de la energía almacenada en la inductancia (L1i, L2i, L10i) a la fase de acumuladores (Eti) asociada por circulación de una corriente de carga en disminución a través de la inductancia (L1i, L2i, L10i) y el diodo (D1i, D2i; D11i, D21i; D100i) asociado.

Description

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DESCRIPCION

Sistema de equilibrado de carga para baterías

[0001] La invención se refiere a un sistema de equilibrado de carga para baterías de acumuladores electroquímicos, que pueden ser utilizadas particularmente en el ámbito de los transportes eléctricos, híbridos y los sistemas embarcados. La invención se refiere en particular a las baterías del tipo litio-ión (Li-ion) adaptadas para este tipo de aplicaciones, debido a su posibilidad de almacenar una fuerte energía con una escasa masa. La invención se puede aplicar igualmente a los super-condensadores.

[0002] Un acumulador electroquímico tiene una tensión nominal del orden de algunos voltios, y más precisamente 3,3 V para las baterías de Li-ion a base de fosfato de hierro y 4,2 V para una tecnología Li-ion a base de óxido de cobalto. Si esta tensión es demasiado baja en relación con las necesidades del sistema a alimentar, se colocan varios acumuladores en serie. Resulta igualmente posible colocar en paralelo de cada acumulador asociado en serie, uno o más acumuladores en paralelo con el fin de aumentar la capacidad disponible y proporcionar una corriente y una potencia superiores. Los acumuladores asociados en paralelo forman así una fase. Una fase está constituida como mínimo por un acumulador. Las fases se ponen en serie para alcanzar el nivel de tensión deseado. La asociación de acumuladores se denomina una batería de acumuladores.

[0003] La carga o descarga de un acumulador se traduce respectivamente por un aumento o disminución de la tensión en sus bornes. Se considera un acumulador cargado o descargado cuando éste ha alcanzado un nivel de tensión definido por el proceso electroquímico. En un circuito que utiliza varias fases de acumuladores, la corriente que pasa por las fases es la misma. El nivel de carga o de descarga de las fases depende por consiguiente de las características intrínsecas de los acumuladores, a saber la capacidad intrínseca y las resistencias internas parásitas en serie y paralelas, del electrolito o de contacto entre los electrodos y el electrolito. Diferencias de tensión entre las fases son por lo tanto posibles debido a las desigualdades de fabricación y de envejecimiento.

[0004] Para un acumulador de tecnología Li-ion, una tensión demasiado elevada o demasiado baja, llamada tensión de umbral, puede dañar o destruir este último. Por ejemplo, la sobrecarga de un acumulador de Li-ion a base de óxido de cobalto, puede producir su disparo térmico y un conato de fuego. Para un acumulador de Li-ion a base de fosfato de hierro, una sobrecarga se traduce por una descomposición del electrolito que disminuye su duración o puede deteriorar el acumulador. Una descarga demasiado importante que conduce a una tensión inferior a 2 V, por ejemplo, produce principalmente una oxidación del colector de corriente del electrodo negativo cuando éste es de cobre y por consiguiente un deterioro del acumulador. En consecuencia, la vigilancia de las tensiones en los bornes de cada fase de acumuladores resulta obligatoria en la carga y descarga por una cuestión de seguridad y fiabilidad. Un dispositivo denominado de vigilancia en paralelo de cada fase permite asegurar esta función.

[0005] El dispositivo de vigilancia tiene por función seguir el estado de carga y de descarga de cada fase de acumuladores y de transmitir la información al circuito de control con el fin de detener la carga o la descarga de la batería cuando una fase ha alcanzado su tensión de umbral. Sin embargo, en una batería con varias fases de acumuladores dispuestos en serie, si la carga se detiene cuando la fase más cargada ha alcanzado su tensión de umbral, las otras fases pueden no estar totalmente cargadas. A la inversa, si la descarga se detiene cuando la fase más descargada ha alcanzado su tensión de umbral, las otras fases pueden no estar totalmente descargadas. La carga de cada fase de acumuladores no es por lo tanto explotada de forma óptima, lo cual representa un problema importante en aplicaciones del tipo de transporte y embarcados con fuertes dependencias de autonomía. Para paliar este problema, el dispositivo de vigilancia generalmente está asociado con un dispositivo de equilibrado.

[0006] El dispositivo de equilibrado tiene por función optimizar la carga de la batería y por consiguiente su autonomía llevando las fases de acumuladores puestas en serie a un estado de carga y/o descarga idéntica. Existen dos categorías de dispositivos de equilibrado, los dispositivos de equilibrado llamados de disipación de energía, o llamados de transferencia de energía.

[0007] Con los dispositivos de equilibrado de disipación de energía, la tensión en los bornes de las fases se uniformiza devolviendo la corriente de carga de una o de las fases que han alcanzado la tensión de umbral y disipando la energía en una resistencia. En variante, la tensión en los bornes de las fases se uniformiza descargando una o más fases que han alcanzado la tensión de umbral. Sin embargo, tales dispositivos de equilibrado de disipación de energía presentan el inconveniente principal de consumir más energía de la necesaria para cargar la batería. En efecto, este circuito obliga a descargar varios acumuladores o derivar la corriente de carga de varios acumuladores para que el o los últimos acumuladores un poco menos cargados terminen su carga. La energía disipada puede por consiguiente ser muy superior a la energía de o de las cargas que deben terminarse. Además, disipan la energía sobrante en calor, lo cual no es compatible con las necesidades de integración en las aplicaciones de tipo transporte y embarcados, y el hecho de que la duración de los acumuladores baja fuertemente cuando la temperatura se eleva.

[0008] Los dispositivos de equilibrado por transferencia de energía intercambian energía entre la batería de acumuladores o una red auxiliar de energía y las fases de acumuladores.

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[0009] Se conoce por ejemplo por la patente US5659237 un dispositivo que permite la transferencia de energía de la red auxiliar a fases mediante una estructura «flyback» con varias salidas y que utilizan una inductancia acoplada como elemento de almacenado. Este último es un componente específico pues está dedicado para esta aplicación. El coste de un componente de este tipo es prohibitivo con relación a la función a cumplir.

[0010] Se conoce por otro lado por la patente CN 1905259 un dispositivo que permite la transferencia de energía de las fases a la batería y que utiliza en cuanto al mismo una inductancia por acumulador como elemento de almacenado. Sin embargo, este dispositivo no opta por una transferencia de energía optimizada para el equilibrado de baterías en las aplicaciones de tipo transporte y embarcadas. En efecto, el final de carga de una batería se determina por la última fase que alcanza la tensión umbral. Para terminar la carga de una batería, la energía se extrae de una o varias fase(s) y la misma es restituida al conjunto de fases. Cuando una o varias fase(s) de acumuladores está o están un poco menos cargada(s), la energía no se transfiere por lo tanto en prioridad a esta o estas últimas que tiene o tienen necesidad sino igualmente a o a las fases a las cuales se extrae la energía. El equilibrado necesita por consiguiente extraer la energía al conjunto de fases al final de la carga con el fin de evitar cargarlas a una tensión demasiado elevada. El equilibrado se realiza por consiguiente con pérdidas elevadas debido al número de convertidores importante en funcionamiento. Además, los acumuladores ya al final de la carga son atravesados por componentes de corriente alterna o continua no útiles.

[0011] La invención tiene por consiguiente por objeto proponer un dispositivo de equilibrado mejorado que no presente estos inconvenientes del estado del arte de la técnica.

[0012] A este respecto, la invención tiene por objeto un sistema de equilibrado para batería que comprende al menos dos fases de acumuladores puestos en serie, comprendiendo cada fase de acumuladores al menos un acumulador caracterizado porque el indicado sistema comprende.

-al menos un generador de tensión que comprende al menos un polo positivo y al menos un polo negativo,

-por cada fase de acumuladores un dispositivo de carga asociado alimentado por el indicado al menos un generador de tensión y que comprende: al menos una inductancia, al menos un primer condensador cuyo primer extremo está conectado con el indicado polo positivo de dicho al menos un generador de tensión, al menos un segundo condensador cuyo primer extremo está conectado con el mencionado polo negativo de dicho generador de tensión, al menos un primer diodo conectado por su ánodo con el polo negativo de dicha fase de acumuladores y por su cátodo con el segundo extremo de dicho al menos un primer condensador, al menos un segundo diodo conectado por su ánodo con el polo negativo de la fase de acumuladores asociada y por su cátodo con el segundo extremo de dicho al menos un segundo condensador, al menos un interruptor conectado directa o indirectamente por su primer extremo a al menos una inductancia y por su segundo extremo al polo positivo de la fase de acumuladores asociada, y

-un dispositivo de control configurado para controlar el indicado al menos un generador de tensión y para cerrar el indicado al menos un interruptor de un dispositivo de carga asociado en una fase de acumuladores a cargar, para que la indicada al menos una inductancia almacene energía y para transferir esta energía a la indicada fase de acumuladores asociada.

[0013] El indicado sistema de equilibrado puede además comprender una o varias características siguientes, tomadas por separado o en combinación:

-el indicado sistema comprende además: al menos un tercer diodo conectado por su cátodo con el primer extremo de la indicada inductancia y por su ánodo con el cátodo del indicado al menos un primer diodo, y al menos un cuarto diodo conectado por su cátodo con el primer extremo de la indicada inductancia y por su ánodo con el cátodo del indicado al menos un segundo diodo,

-el indicado al menos un tercer diodo está conectado con una primera inductancia y el indicado al menos un cuarto diodo está conectado con una segunda inductancia,

-el indicado dispositivo de carga comprende además: al menos un quinto diodo conectado por su cátodo con el primer extremo de la indicada primera inductancia y por su ánodo con el polo negativo de la fase de acumuladores asociada, y al menos un sexto diodo conectado por su cátodo con el primer extremo de la mencionada segunda inductancia y por su ánodo con el polo negativo de la fase de acumuladores asociada,

-el indicado al menos un tercer diodo y el indicado al menos un cuarto diodo están conectados a una misma inductancia,

-el mencionado dispositivo de carga comprende además al menos un quinto diodo conectado por su cátodo con el primer extremo de la indicada inductancia y por su ánodo con el polo negativo de la fase de acumuladores asociada,

-el indicado dispositivo de carga está configurado para funcionar en conducción discontinua, independientemente

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de los niveles de tensiones de la fase de acumuladores asociada y de la batería durante la fase de carga,

-los acumuladores son de tipo litio-ión,

-la batería comprende super-condensadores.

[0014] Otras características y ventajas de la invención aparecerán más claramente con la lectura de la descripción siguiente, dada a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, y de los dibujos adjuntos entre los cuales:

-la figura 1 representa un esquema sinóptico de una batería que comprende una puesta en serie de fases de acumuladores y de un sistema de equilibrado de carga de la batería que comprende un dispositivo de carga por fase de acumuladores y un generador de tensión,

-la figura 2 representa un esquema sinóptico de una variante del sistema de equilibrado de la figura 1 que comprende un generador de tensión por cada dispositivo de carga,

-la figura 3 representa un esquema sinóptico de otra variante del sistema de equilibrado de la figura 1 que comprende un generador de tensión por módulo elemental que comprende un número predeterminado de fases de acumuladores puestos en serie,

-la figura 4 representa un esquema sinóptico de otra variante del sistema de equilibrado de la figura 3 que comprende un dispositivo de carga suplementario por módulo elemental,

-la figura 5a ilustra un esquema sinóptico de un primer modo de realización de un dispositivo de carga del sistema de equilibrado,

-la figura 5b ilustra un esquema sinóptico de una primera variante de realización del dispositivo de carga de la figura 5a,

-la figura 5c ilustra un esquema sinóptico de una segunda variante de realización del dispositivo de carga de la figura 5a,

-la figura 6 ilustra un esquema sinóptico de un ejemplo de realización de un generador de tensión asociado con un dispositivo de carga de las figuras 5a a 5c, 11, 12, 13,

-la figura 7 ilustra un esquema sinóptico de una variante de realización del generador de tensión de la figura 6,

-la figura 8 es un esquema sinóptico de una segunda variante de realización del generador de tensión de la figura 6, y

-la figura 9 es un esquema sinóptico de una tercera variante de realización del generador de tensión de la figura 6,

-la figura 10 es un diagrama que representa de modo esquemático la evolución de las diferentes corrientes en función del tiempo en el dispositivo de carga de las figuras 5a, 5b, 5c,

-la figura 11 ilustra un esquema sinóptico de un segundo modo de realización de un dispositivo de carga del sistema de equilibrado,

-la figura 12 ilustra un esquema sinóptico de un tercer modo de realización de un dispositivo de carga del sistema de equilibrado, y

-la figura 13 ilustra un esquema sinóptico de un cuarto modo de realización de un dispositivo de carga del sistema de equilibrado.

[0015] En estas figuras, los elementos sustancialmente idénticos llevan las mismas referencias.

[0016] La figura 1 representa una batería 1 de acumuladores. Esta batería 1 está compuesta de N fases, indicadas por Eti conectadas en serie. Cada fase Eti está compuesta por un acumulador o varios acumuladores Aij conectados en paralelo. El índice i representa aquí el número de la fase, este índice i varía en el ejemplo ilustrado en la figura 1 de 1 a N, y el índice j representa el número de cada acumulador en una fase dada, este índice j varía en el ejemplo ilustrado de 1 a M. Los bornes de los acumuladores Aij de una misma fase Eti están unidos juntos por mediación de conexiones eléctricas, todo como cada fase Eti está igualmente unido a las fases Eti adyacentes por mediación de conexiones eléctricas.

[0017] La invención tiene por objeto un sistema de equilibrado de carga 2 para dicha batería 1 de acumuladores, que comprende al menos dos fases Eti puestas en serie.

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[0018] El sistema de equilibrado 2 comprende además un dispositivo de control 3, una pluralidad de dispositivos de carga 5 idénticos respectivamente asociados a una fase de acumulador Eti, y un generador de tensión 7 (figura 1) o varios generadores de tensión 7 (figuras 2, 3 y 4).

[0019] Los dispositivos de carga 5 y el o los generador(es) de tensión 7 son accionados por el dispositivo de control 3.

[0020] El sistema de equilibrado 2 puede comprender además un dispositivo de medición de tensión (no representado) para medir la tensión de cada fase Eti y para transferir una información de tensión al dispositivo de control 3 que puede a partir de esta información de tensión determinar si una fase de acumulador Eti debe cargarse y accionar consecuentemente el dispositivo de carga 5 en paralelo de la fase de acumuladores así como el generador de tensión 7 asociado.

[0021] Los dispositivos de carga 5 están conectados por una parte al polo negativo, indicado por Ni, y al polo positivo, indicado por Pi, de cada fase de acumuladores Eti, y por otra parte al polo positivo, indicado por v2, y al polo negativo, indicado por v1, de uno o varios generador(es) de tensión 7.

[0022] En el caso de un generador de tensión 7 único (figura 1), este último está conectado con el conjunto de dispositivos de carga 5.

[0023] En el caso de generadores de tensión 7 múltiples, cada generador de tensión 7 está conectado con un dispositivo de carga 5 si el número de generadores de tensión 7 es igual al número de fases Eti , como se ilustra a título de ejemplo en la figura 2.

[0024] Según otra alternativa representada en la figura 3, un generador de tensión 7 puede conectarse a varios dispositivos de carga 5 si el número de generadores de tensión 7 es inferior al número de fases Eti.

[0025] A título de ejemplo, cuando se utiliza en serie un número consecuente de fases de acumuladores Eti, como es el caso para los vehículos eléctricos con por ejemplo cien acumuladores en serie, la batería 1 puede estar constituida por una puesta en serie de módulos elementales 9 (figura 3), comprendiendo por ejemplo cada uno de diez a doce fases de acumuladores Eti puestos en serie. Así, la conexión del o de los generador(es) de tensión 7 se realiza en los bornes de diez a doce elementos. El comportamiento en tensión de los diodos e interruptores accionados está limitado, en función de la tecnología de la batería Li-ion, a aproximadamente 45 V – 60 V, que es un valor de mantenimiento en tensión estandarizado en el ámbito del semi-conductor. El mantenimiento de un número consecuente de módulos elementales 9, como es el caso para los vehículos eléctricos, se facilita.

[0026] Además, aparte de los dispositivos de carga 5 por fases de acumuladores Eti, se pueden utilizar dispositivos de carga 5 idénticos mediante la puesta en serie de N fases, como lo ilustra la figura 4. Esta variante permite transferir energía entre las N fases adyacentes, y por consiguiente entre los módulos elementales 9 asociados en serie. En este caso, uno o más generador(es) de tensión 7 suplementario(s), es o son utilizado(s) para proporcionar la energía a los dispositivos de carga 5 conectados en los bornes de N fases.

[0027] El o los generador(es) de tensión 7 proporciona o proporcionan a los dispositivos de carga 5 impulsos de tensión de polaridad(es) positiva, negativa o positiva y negativa y de forma que pueda ser variada, por ejemplo en forma almenada o sinusoidal.

[0028] Se describen ahora diferentes modos de realización del sistema de equilibrado 2.

Primer modo de realización:

Dispositivo de carga

[0029] Haciendo referencia a la figura 5a, según un primer modo de realización un dispositivo de carga 5 comprende:

-una primera inductancia L1i,

-una segunda inductancia L2i

-un primer condensador C1i del cual el primer extremo está conectado con el polo v2 de un generador de tensión 7 y el segundo extremo está conectado con el primer extremo de la primera inductancia L1i,

-un segundo condensador C2i del cual el primer extremo está conectado con el polo v1 del generador de tensión 7 y el segundo extremo está conectado con el primer extremo de la segunda inductancia L2i,

-un primer diodo D1i del cual el ánodo y el cátodo están respectivamente conectados con el polo Ni de la

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fase y con el segundo extremo del condensador C1i,

-un segundo diodo D2i del cual el ánodo y el cátodo están respectivamente conectados con el polo Ni de la fase y con el primer extremo de la segunda inductancia L2i,

-un interruptor SW1i, por ejemplo un transistor MOSFET, del cual el primer extremo está conectado con los

segundos extremos de las dos inductancias L1i y L2i y el segundo extremo con el polo Pi de la fase de

acumulador.

[0030] Este dispositivo de carga 5 está adaptado para ser utilizado con un generador de tensión 7 proporcionando una almena de tensiones positiva e igualmente negativa.

[0031] Variantes de posición del interruptor SW1i para este modo de realización del dispositivo de carga 5 se ilustran en las figuras 5b y 5c.

[0032] En la figura 5b, el interruptor SW1i está conectado por su primer extremo al polo positivo v2 del generador de tensión 7 y por su segundo extremo al primer extremo del primer condensador C1i. Las dos inductancias L1i y L2; están entonces conectadas al polo Pi de la fase de acumulador.

[0033] En la figura 5c, el primer extremo del interruptor SW1i está conectado con el segundo extremo del primer condensador C1i y su segundo extremo está conectado con el cátodo del primer diodo D1i.

[0034] Además como se observa en estas figuras 5b y 5c, un interruptor suplementario SW11i debe conectarse además bien sea a la salida v1 del generador de tensión 7 y al primer extremo del segundo condensador C2i (figura 5b), o bien al segundo extremo del segundo condensador C2i y al cátodo del segundo diodo D2i (figura 5c).

[0035] Estos otros dos posicionamientos posibles del interruptor SW1i tales como se ha representado en las figuras 5b y 5c, permiten evitar cuando el interruptor SW1i del dispositivo de carga 5 se encuentra en estado abierto y cuando el generador de tensión 7 es accionado, que se descargue energía entre los componentes del generador de tensión 7 y del dispositivo de carga 5.

[0036] El dispositivo de control 3 permite cerrar y abrir el interruptor SW1i y/o el interruptor SW11i cuando existe.

[0037] Un dispositivo de carga 5 de este tipo funciona tanto en régimen de conducción continua como discontinua.

[0038] Hay que favorecer el funcionamiento en régimen de conducción discontinua pues presenta la ventaja de ser más fácil de poner en práctica y de fabricarlo a menor coste.

[0039] En efecto, en modo de conducción discontinua, la corriente a través de la inductancia L1i se anula por definición antes de cada período T de funcionamiento del dispositivo de carga 5. El valor de la corriente que pasa por la inductancia L1i cuando el generador de tensión 7 proporciona energía puede deducirse por la tensión aplicada en los bornes de la inductancia L1i, el tiempo de almacenado de energía en la inductancia L1i y el valor de esta última. En respuesta, el control del generador de tensión 7 puede realizarse mediante un comando con tiempo de conducción fijo.

[0040] Otra variante de realización consiste en utilizar para cada dispositivo de carga 5 un interruptor accionado en lugar de cada diodo. Una rectificación llamada de tipo síncrono resulta entonces posible. El rendimiento del dispositivo de carga 5 puede ser aumentado gracias a la disminución de la caída de tensión al estado conductor del componente.

Generador de tensión

[0041] En las figuras 6 a 9 se han representado diferentes modos de realización de un generador de tensión 7 que genera a la salida una almena de tensiones positiva y negativa.

[0042] El generador de tensión 7 puede conectarse a los bornes de un módulo elemental 9 pero igualmente a los bornes de la batería 1, incluso a los bornes de una fuente auxiliar (12 V vehículo por ejemplo).

[0043] Un primer ejemplo de realización del generador de tensión consiste en utilizar un puente completo con cuatro interruptores SW2i a SW5i y un transformador T1i (figura 6) o según una variante del transformador T1i ilustrada por la figura 7. Según esta variante, el transformador T1i está constituido por un devanado primario y varios devanados secundarios.

[0044] La utilización de varios devanados secundarios permite disminuir el mantenimiento en tensión de los condensadores de los dispositivos de carga 5.

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[0045] Un segundo ejemplo de realización del generador de tensión 7 ilustrado en la figura 8 consiste en utilizar un medio puente con dos interruptores SW2i y SW3i, y un transformador T1i cuyo primario está conectado entre los puntos centrales de los dos interruptores SW2i y SW3i y de dos condensadores C4i y C5i.

[0046] El segundo ejemplo de realización presenta la ventaja de tener un número de interruptores reducido con relación al primer ejemplo, e igualmente de evitar todo riesgo de saturación del transformador debido a un desequilibrio de la secuencia de mando de los interruptores gracias a los condensadores C4i y C5i en serie con el devanado primario del transformador T1i.

[0047] Un tercer ejemplo de realización del generador de tensión consiste en utilizar un transformador T1i con punto central en el primario y dos interruptores SW2i y SW3i (figura 9). El tercer ejemplo de realización presenta la ventaja de una referencia común para el accionamiento de los dos interruptores SW2i y SW3i.

[0048] Sea cual fuere el generador de tensión 7 utilizado, el tiempo de conducción de los interruptores SW2i y SW3i está definido para que cada dispositivo de carga 5 funcione en régimen de conducción discontinua.

Funcionamiento

[0049] El funcionamiento del sistema de equilibrado 2 comprendiendo un dispositivo de carga 5 según un primer modo de realización tal como se ha ilustrado en la figura 5a y un generador de tensión 7 según la figura 8 se describe a continuación.

[0050] Los dispositivos de carga 5 permiten continuar la carga de algunas fases en carga. El funcionamiento del montaje en régimen de conducción discontinua es preferido por los motivos descritos anteriormente.

[0051] Por ejemplo, cuando el dispositivo de control 3 acciona la transferencia de energía a una fase Eti, por ejemplo a la fase Et1 el interruptor SW11 del dispositivo de carga 5 en paralelo de la fase Et1 correspondiente es cerrado por el dispositivo de control 3.

[0052] El generador de tensión 7, que alimenta el dispositivo de carga 5, es activado igualmente por el dispositivo de control 3.

[0053] Las fases en serie con la fase Et1 no se cargan mientras el interruptor SW1i de los dispositivos de carga 5 en paralelo de cada fase permanezca en estado abierto.

[0054] Cuando un dispositivo de carga 5 se pone en funcionamiento y cuando el generador de tensión 7 funcionaba antes, la velocidad de cierre del interruptor SW1i debe controlarse con el fin de evitar proporcionar una corriente demasiado importante a la fase.

[0055] Los interruptores se consideran como perfectos cuando se encuentran en el estado bloqueado y no dejan por consiguiente pasar ninguna corriente cuando se encuentran en este estado.

[0056] Haciendo referencia a las figuras 5a, 8 y 10, durante un tiempo de conducción t1, se aplica una tensión positiva entre los bornes v2 y v1 del generador de tensión 7.

[0057] El interruptor SW21 está cerrado y el interruptor SW31 está abierto. El generador de tensión 7 proporciona por consiguiente una almena de tensión positiva mientras que el interruptor SW21 está cerrado y cuando el interruptor SW31 está abierto.

[0058] Durante el tiempo t1, la energía se almacena en la inductancia L11. La corriente a través de la inductancia L11 aumenta proporcionalmente a la tensión aplicada en sus bornes, igual aproximadamente a la tensión del secundario del transformador T11, menos la tensión de la fase Et1 en carga.

[0059] La corriente atraviesa únicamente la fase Et1.

[0060] La corriente a través de los condensadores C11 y C21 del dispositivo de carga 5 en funcionamiento es igual a la corriente a través de la inductancia L11. Los condensadores C11 y C21 son de valor lo suficientemente importante con el fin de transmitir la corriente necesaria para imponer una tensión casi-constante en los bornes de las inductancias L11 y L21.

[0061] Durante este tiempo t1, el segundo diodo D21 del dispositivo de carga 5 conduce y el primer diodo D11 está bloqueado.

[0062] Al cabo del tiempo t1, el interruptor SW21 del generador de tensión 7 se abre.

[0063] La corriente en la inductancia L11 alcanza en ese instante un valor pico Ipic, igual aproximadamente a la

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tensión aplicada a los bornes de la inductancia L11 cuando el generador de tensión proporciona energía, multiplicada por t1 y dividida por el valor de la inductancia L11. Esta fórmula es aproximada en la medida en que la misma considera que la corriente en la inductancia es nula antes de cada periodo de funcionamiento del dispositivo de carga 5.

[0064] Al cabo del tiempo t1 y hasta la mitad del periodo de funcionamiento T/2, el generador de tensión 7 impone una tensión nula (figuras 6 y 9) o no impone tensión (figura 8) en los bornes v2 y v1 del dispositivo de carga 5 de la fase Et1. Los interruptores SW31 y SW21 están abiertos. La corriente a través de la inductancia L11 disminuye proporcionalmente a la tensión aplicada en sus bornes.

[0065] Durante esta fase, el segundo diodo D21 está bloqueado.

[0066] El primer diodo D11 es conductor hasta que las suma de las corrientes a través de las inductancias L11 y L21 se anula. El primer diodo D11 conduce por consiguiente la corriente a través de la inductancia L11 e igualmente la corriente a través de la inductancia L21. La corriente a través de la inductancia L21 es considerada constante durante esta fase en la medida en que la impedancia del secundario del transformador es considerada claramente superior a la impedancia de las inductancias L11 y L21. La corriente a través de la inductancia L21 es igual a la corriente de magnetización del transformador. Se indica Im en la figura 10.

[0067] Cuando el primer diodo D11 se bloquea, la corriente a través de la inductancia L21 ya no pasa por la fase sino que es igual opuestamente a la corriente a través de la inductancia L11.

[0068] Al cabo de la mitad de tiempo T/2 y hasta el final del tiempo T/2 más el tiempo t1, se aplica una tensión negativa entre los bornes v2 y v1 del generador de tensión. El interruptor SW31 se cierra y el interruptor SW21 se abre. La energía se almacena en la inductancia L21. La corriente pasa por la inductancia L21 aumenta proporcionalmente a la tensión aplicada en sus bornes. La corriente pasa únicamente por la fase Et1 en carga. La corriente a través de los condensadores C11 y C21 del dispositivo de carga en funcionamiento es igual a la corriente a través de la inductancia L21.

[0069] Durante esta fase, el primer diodo D11 es conductor. El segundo diodo D21 está bloqueado.

[0070] Al cabo del periodo de tiempo T/2 más t1, el interruptor SW31 se abre. La corriente en la inductancia L21 alcanza en ese instante un valor pico Ipic igual aproximadamente a la tensión aplicada en los bornes de la inductancia L21 cuando el generador de tensión 7 proporciona energía, multiplicada por t1 y dividida por el valor de la inductancia. Como anteriormente, esta fórmula es aproximativa en la medida en que la misma considera que la corriente en la inductancia es nula antes de cada periodo de funcionamiento del dispositivo de carga 5.

[0071] Al cabo del tiempo T/2 más t1 hasta el final del periodo T, el generador de tensión 7 no impone tensión en los bornes v2 y v1 del dispositivo de carga 5 de la fase Et1. Los interruptores SW31 y SW21 están abiertos. La corriente a través de la inductancia L21 disminuye proporcionalmente a la tensión aplicada en sus bornes.

[0072] Durante esta fase, el primer diodo D11 está bloqueado.

[0073] El segundo diodo D21 es conductor hasta que la suma de las corrientes a través de las inductancias L11 y L21 en carga se anula. El segundo diodo D21 conduce la corriente a través de la inductancia L21 e igualmente la corriente a través de la inductancia L11. La corriente a través de la inductancia L11 es igual a la corriente de magnetización (Im) del transformador.

[0074] Cuando el segundo diodo D21 se bloquea, la corriente a través de la inductancia L11 no pasa ya por la fase sino que es igual opuestamente a la corriente a través de la inductancia L21.

[0075] Al final del periodo de tiempo T, comienza una nueva secuencia de funcionamiento si el interruptor SW11 está siempre en estado cerrado. El generador de tensión 7 es accionado de manera que no tenga los dos interruptores SW21 y SW31 en estado conductor al mismo tiempo con el fin de evitar un cortocircuito de la batería.

Segundo modo de realización

[0076] Según un segundo modo de realización ilustrado en la figura 11, el dispositivo de carga 5 comprende además:

-un tercer diodo D10i montado en serie con la primera inductancia L1i, conectada por su cátodo con el primer extremo de la primera inductancia L1i y por su ánodo con el cátodo del primer diodo D1i, y

-un cuarto diodo D20i montado en serie con la segunda inductancia L2i, conectada por su cátodo con el primer extremo de la segunda inductancia L2i y por su ánodo con el cátodo del segundo diodo D2i.

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[0077] El funcionamiento del sistema de equilibrado 2 con un dispositivo de carga 5 según el segundo modo de realización es sustancialmente idéntico al funcionamiento del primer modo de realización.

[0078] Sin embargo, cuando la primera inductancia L1i almacena energía durante el periodo de tiempo t1, siendo el segundo diodo D2i conductor y estando el primer diodo D1i bloqueado, el cuarto diodo D20i montado en serie con la segunda inductancia L2i está igualmente bloqueado con el fin de impedir que pase la corriente por la segunda inductancia L2i.

[0079] De igual modo, cuando es la segunda inductancia L2i la que almacena energía, siendo el primer diodo D1i conductor y el segundo diodo D2i bloqueado, el tercer diodo D10i montado en serie con la primera inductancia L1i está igualmente bloqueada de forma que impida que pase la corriente por la primera inductancia L1i.

[0080] Se evita así la aparición de una sobretensión en los bornes de la inductancia L1i o L2i cuando respectivamente el interruptor SW31 o SW21 se abre.

Tercer modo de realización:

[0081] Según un tercer modo de realización ilustrado en la figura 12, el dispositivo de carga 5 comprende además con relación al segundo modo de realización:

-un quinto diodo D11i conectado por su cátodo con el primer extremo de la primera inductancia L1i y con el cátodo del tercer diodo D10i, y por su ánodo con el polo negativo Ni de la fase de acumuladores asociada, y

-un sexto diodo D21i conectado por su cátodo con el primer extremo de la segunda inductancia L2i y con el cátodo del cuarto diodo D20i, y por su ánodo con el polo negativo Ni de la fase de acumuladores asociada.

[0082] El funcionamiento del sistema de equilibrado 2 con un dispositivo de carga 5 según el tercer modo de realización es idéntico al funcionamiento del segundo modo de realización. Sin embargo, los quinto D11i y sexto D21i diodos permiten obtener un rendimiento de transferencia de energía aumentado con relación segundo modo de realización debido a que no depende más que de un solo umbral de diodo D11i o D21i en lugar de dos umbrales de diodo D1i y D10i o D2i y D20i como en el segundo modo de realización cuando disminuye la corriente a través de las inductancias L1i, L2i. Se minimizan así las pérdidas debidas a los diodos durante la fase de rueda libre del instante t1 al instante donde la corriente se anula a través de la inductancia, por consiguiente durante la fase que dura más tiempo.

Cuarto modo de realización:

[0083] Por último, según un cuarto modo de realización ilustrado en la figura 13, el dispositivo de carga 5 difiere del tercer modo de realización, por el hecho de que solo hay una sola inductancia L10i y no ya una primera L1i y una segunda L2i inductancias tal como se ha descrito anteriormente.

[0084] Más precisamente, esta inductancia L10i corresponde a las dos inductancias L1i y L2i de los anteriores modos de realización cuyos primeros extremos se conectan juntos. Las inductancias L1i y L2i desde ahora conectadas en paralelo son sustituidas por una inductancia sola L10i.

[0085] El funcionamiento del sistema de equilibrado 2 con un dispositivo de carga 5 según el cuarto modo de realización es idéntico al funcionamiento según el tercer modo de realización solo con la diferencia de que, sea cual fuere la polaridad de la tensión de salida del generador de tensión 7, una sola inductancia L10i almacena energía durante el tiempo t1, la continuidad de la corriente a través de la inductancia L10i está asegurada por un solo diodo D100i cuando el generador de tensión 7 impone una tensión nula o no impone tensión en la entrada del transformador T1i. Este diodo D100i corresponde por analogía al tercer modo de realización a los quinto D111 y sexto D211 diodos conectados en paralelo.

[0086] Esto permite reducir el número de componentes asegurando un rendimiento de transferencia de energía similar al tercer modo de realización.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Sistema de equilibrado para batería que comprende al menos dos fases de acumuladores (Eti) dispuestas en serie, comprendiendo cada fase de acumuladores (Eti) al menos un acumulador (Aij) colocado entre los polos negativo (Ni) y positivo (Pi) de la fase de acumuladores (Eti), caracterizado por que el indicado sistema comprende:

5 -un generador de tensión (7) que comprende al menos un borne positivo (v2) y un borne negativo (v1),

-por cada fase de acumuladores (Eti) un dispositivo de carga (5) asociado alimentado por el generador de tensión

(7) y que comprende: . al menos una inductancia (L1i, L2i, L10i), . un primer condensador (C1i) cuyo primer extremo está conectado a un borne (v2, v1) del generador de

10 tensión (7) y cuyo segundo extremo está conectado a una inductancia asociada (L1i L10i),

. un segundo condensador (C2i) cuyo primer extremo está conectado a un borne (v1, v2) del generador de tensión (7) y cuyo segundo extremo está conectado con una inductancia asociada (L2i, L10i), . un primer diodo (D1i) conectado por su ánodo al polo negativo (Ni) de la fase de acumuladores asociada y

por su cátodo con el segundo extremo del primer condensador (C1i),
15 . un segundo diodo (D2i) conectado por su ánodo con el polo negativo (Ni) de la fase de acumuladores asociada y por su cátodo con el segundo extremo del segundo condensador (C2i),

. al menos un diodo (D1i, D2i; D11i, D21i; D100i) conectado por su ánodo al polo negativo (Ni) de dicha fase de acumuladores asociada y conectado con un extremo de una inductancia (L1i, L2i, L10i) asociada, de forma que permita cuando el diodo (D1i, D2i; D11i, D21i, D100i) es conductor una circulación de una

20 corriente de carga a través de la fase de acumuladores asociada, el diodo (D1i, D2i; D11i, D21i; D100i) y la inductancia (L1i, L2i, L10i) asociada; y

. al menos un interruptor (SW1i, SW11i) conectado con una inductancia (L1i, L2i, L10i) y conectado a un polo (Pi) de la fase de acumuladores asociada, de forma que un interruptor (SW1i, SW11i), una inductancia (L1i, L2i, L10i) y un condensador (C1i, C2i) asociados con un dispositivo de carga (5) se conectan en serie

25 entre un borne (v2, v1) del generador de tensión (7) y un polo de la fase de acumuladores asociada, y

-un dispositivo de control (3) configurado:

. para durante un tiempo de conducción aplicar una variación de tensión entre los bornes (v2, v1) del generador de tensión (7) y para cerrar el interruptor (SW1i, SW11i) de un dispositivo de carga (5) asociado con una fase de acumuladores (Eti) a cargar, de forma que la inductancia (L1i, L2i, L10i) y el interruptor

30 (SW1i, SW11i) sean atravesados por una corriente de alimentación creciente procedente del generador de tensión (7) y que la inductancia (L1i, L2i,L10i) asociada almacene energía y

. para al cabo del tiempo de conducción, interrumpir la corriente de alimentación a través de la inductancia asociada (L1i L2;, L10i) y permitir la transferencia de la energía almacenada en la inductancia (L1i, L2i, L10i) a la fase de acumuladores (Eti) asociada por circulación de una corriente de carga en disminución a través

35 de la inductancia (L1i, L2i, L10i) y el diodo (D1i, D2i; D11i, D21i; D100i) asociado.
2. Sistema de equilibrado para batería según la reivindicación 1, caracterizado por que el generador de tensión (7) permite aplicar una tensión positiva o negativa entre sus bornes (v1, v2) y por que el dispositivo de control (3) está configurado para:

40 -aplicar una tensión positiva durante un primer tiempo de conducción y una tensión negativa durante un segundo tiempo de conducción, de forma que una corriente pase por los primero (C1i) y segundo (C2i) condensadores en un primer sentido en el primer tiempo de conducción y en un segundo sentido, opuesto al primer sentido, en el segundo tiempo de conducción, e

-interrumpir la indicada corriente de alimentación entre el primer tiempo de conducción y el segundo tiempo de

45 conducción, con el fin de permitir la transferencia de la energía almacenada en una inductancia (L1i,L2i,L10i) a la fase de acumuladores (Eti) asociada por circulación de una corriente de carga en disminución a través de la inductancia (L1i, L2i,L10i) y el diodo (D1i, D2i; D11i, D21i, D100i) asociada.
3. Sistema de equilibrado para batería según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por que el primer

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condensador (C1i) presenta un primer extremo conectado con el borne positivo (v2) del generador de tensión (7), y por que el segundo condensador (C2i) presenta un primer extremo conectado con el borne negativo (v1) del generador de tensión (7).
4.

Sistema de equilibrado para batería según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el interruptor (SW1i) está conectado por su primer extremo a por lo menos una inductancia (L1i, L2i L10i) y por su segundo extremo al polo positivo (Pi) de la fase de acumuladores asociada.
5.

Sistema de equilibrado para batería según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de control (3) está configurado para interrumpir la corriente de alimentación a través de la inductancia (L1i, L2i, L10i) imponiendo una tensión nula en los bornes del generador de tensión (7).
6.

Sistema de equilibrado para batería según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que:

-el dispositivo de carga (5) comprende una primera inductancia (L1i) y una segunda inductancia (L2i), tales que:

. la primera inductancia (L1i) presenta un primer extremo conectado a un segundo extremo del primer condensador (C1i) y el cátodo del primer diodo (D1i),

. la segunda inductancia (L2i) presenta un primer extremo conectado a un segundo extremo del segundo condensador (C2i) y al cátodo del segundo diodo (D2i), y por que:

-el dispositivo de carga (5) comprende un interruptor común (SW1i) conectado a las dos inductancias (L1i) y (L2i) o un primer interruptor (SW1i) conectado con la primera inductancia (L1i) y un segundo interruptor (SW11i) conectado con la segunda inductancia (L2i).
7.

Sistema de equilibrado para batería según la reivindicación 6, caracterizado por que el primer diodo (D1i) está conectado por su ánodo al polo negativo (Ni) de la fase de acumuladores asociada y por su cátodo con el segundo extremo del primer condensador (C1i) y con un extremo de la primera inductancia (L1i), con el fin de permitir cuando el primer diodo (D1i) es conductor, una circulación de una corriente de carga a través de la fase de acumuladores asociada, el primer diodo (D1i) y la primera inductancia (L1i).
8.

Sistema de equilibrado para batería según una de las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado por que el segundo diodo (D2i) está conectado por su ánodo al polo negativo (Ni) de la fase de acumuladores asociada y por su cátodo con el segundo extremo del segundo condensador (C2i) y con un extremo de la segunda inductancia (L2i) asociada, con el fin de permitir, cuando el segundo diodo (D2i) es conductor, una circulación de una corriente de carga a través de la fase de acumuladores asociada, el segundo diodo (D2i) y la segunda inductancia (L2i).
9.

Sistema de equilibrado para batería según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el indicado sistema comprende además:

-al menos un tercer diodo (D10i) conectado por su cátodo con el primer extremo de una inductancia (L1i, L10i) asociada y por su ánodo con el cátodo del primer diodo (D1i), y

-al menos un cuarto diodo (D20i) conectado por su cátodo con el primer extremo de una inductancia (L2i, L10i) asociada y por su ánodo con el cátodo del segundo diodo (D2i).
10.

Sistema de equilibrado para batería según las reivindicaciones 6 y 9, caracterizado por que el tercer diodo (D10i) está conectado con la primera inductancia (L1i) y el cuarto diodo (D20i) está conectado con la segunda inductancia (L2i).
11.

Sistema de equilibrado para batería según la reivindicación 10, caracterizado por que el indicado dispositivo de carga (5) comprende además:

-un quinto diodo (D11i) conectado por su cátodo con el primer extremo de la primera inductancia (L1i) y por su ánodo con el polo negativo (Ni) de la fase de acumuladores asociada, y

-un sexto diodo (D21i) conectado por su cátodo con el primer extremo de la segunda inductancia (L2i) y por su ánodo al polo negativo (Ni) de la fase de acumuladores asociada.
12.

Sistema de equilibrado para batería según la reivindicación 9, caracterizado por que el tercer diodo (D10i) y el cuarto diodo (D20i) están conectados a una misma inductancia (L10i).
13.

Sistema de equilibrado para batería según la reivindicación 12, caracterizado por que el indicado dispositivo de carga (5) comprende además al menos un quinto diodo (D100i) conectado por su cátodo con el primer extremo de la

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inductancia (L10i) y por su ánodo al polo negativo (Ni) de la fase de acumuladores asociada.
14.

Sistema de equilibrado para batería según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de carga (5) está configurado para funcionar en conducción discontinua, independientemente de los niveles de tensiones de la fase de acumuladores asociada (Eti) y de la batería (1) durante la fase de carga.
15.

Sistema de equilibrado para batería según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los acumuladores (Aij) son de tipo litio-ion o por que la batería comprende super-condensadores.

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