Sistema de equilibrado de carga para baterías.

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.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/051691.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: BATIMENT "LE PONANT D" 25, RUE LEBLANC 75015 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: CHATROUX,DANIEL, DAUCHY,JULIEN, MERCIER,SYLVAIN, FERNANDEZ,ERIC.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > CIRCUITOS O SISTEMAS PARA LA ALIMENTACION O DISTRIBUCION... > H02J7/00 (Circuitos para la carga o despolarización de baterías o para suministrar cargas desde baterías)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Celdas secundarias; Su fabricación > H01M10/46 (Acumuladores combinados estructuralmente con un aparato de carga (circuitos de carga H02J 7/00))

PDF original: ES-2521040_T3.pdf

 

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Sistema de equilibrado de carga para baterías.

Fragmento de la descripción:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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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:

- 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.

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:

-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 5

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

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.