BRPI0606245B1 - Apparatus and method for voltage neutralization in a battery pack - Google Patents

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BRPI0606245B1
BRPI0606245B1 BRPI0606245-8A BRPI0606245A BRPI0606245B1 BR PI0606245 B1 BRPI0606245 B1 BR PI0606245B1 BR PI0606245 A BRPI0606245 A BR PI0606245A BR PI0606245 B1 BRPI0606245 B1 BR PI0606245B1
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Abstract

aparato e método para neutralização de voltagem em um pacote de baterias. é descrito um aparato e um método para descarregar a voltagem em um pacote de baterias. o aparato compreende uma resistência de descarga (rb) conectada a uma bateria alvo para descarga (104) dentre múltiplas baterias no pacote de baterias, e descarregar a voltagem da bateria alvo para descarga (104); uma seção de chaveamento (102) para conectar a bateria alvo para descarga (104) e a resistência de descarga (rb); uma seção de medição de voltagem (106) para medir a voltagem da bateria alvo para descarga (104); e uma seção de controle (100) para controlar a seção de chaveamento (102) dependendo do valor de voltagem medido na bateria (104) para manter constante a energia consumida na resistência de descarga (rb) . o método compreende medir a voltagem de uma bateria alvo para descarga (104) dentre múltiplas baterias no pacote de baterias; calcular uma taxa de trabalho de pwm de uma seção de chaveamento (102) conectando a bateria alvo para descarga (104) e uma resistência de descarga (rb) usando o valor de voltagem medido e o valor da resistência de descarga (rb); e controlar a seção de chaveamento (102) dependendo da taxa de trabalho, para manter constante a energia consumida na resistência de descarga (rb)

Description

(54) Título: APARATO E MÉTODO PARA NEUTRALIZAÇÃO DE TENSÃO EM UM PACOTE DE BATERIAS (51) lnt.CI.: H02J 7/00 (30) Prioridade Unionista: 14/01/2005 KR 10-2005-0003849 (73) Titular(es): LG CHEM, LTD.
(72) Inventor(es): JONG-MIN PARK; DO-YANG JUNG
APARATO E MÉTODO PARA NEUTRALIZAÇÃO DE TENSÃO EM UM PACOTE DE BATERIAS
A invenção se relaciona a um aparato e método para descarregar uma bateria usando modulação de largura de pulso (PWM - Pulse Width Modulation) ao se equilibrar as baterias de um pacote de baterias provido em um veículo elétrico, um veículo híbrido, e similares.
Estado da Arte
Por exemplo, um veículo elétrico usando energia 10 elétrica como fonte de potência é provido com um pacote de baterias consistindo em múltiplas baterias, de modo que ele seja provido com a potência necessária. Para as múltiplas baterias contidas no pacote de baterias, é requerido que a tensão de cada bateria seja uniforme para melhorar sua estabilidade e utilização, e para obter uma alta potência. O veículo elétrico é provido com uma pluralidade de pacotes de bateria dependendo da estrutura do veículo, cada pacote consistindo de 10 baterias. Um sistema de gerenciamento de baterias (SGB) carrega ou descarrega as baterias do pacote de baterias para permitir que cada bateria tenha uma tensão apropriada. Porém, uma vez que é difícil para as múltiplas baterias manterem estavelmente um estado de equilíbrio, devido a várias causas tais como mudança da impedância interna, etc., uma função de balanceamento para equilibrar os estados carregados das múltiplas baterias é provida ao sistema de gerenciamento de baterias.
Fazendo assim, de acordo com a arte anterior, para voltagens uniformes das baterias em um pacote de bateria de alta tensão usando múltiplas baterias, uma resistência de descarga (resistência de neutralização) é conectada a uma bateria exibindo uma tensão mais alta do que a média, de modo que a energia da bateria é consumida pela resistência, reduzindo assim a diferença de voltagens no pacote de bateria inteiro. Este método executa a descarga de uma maneira de liga/desliga por meio de um circuito de controle. Porém, de acordo com este método, à medida em que a descarga é executada, a tensão da bateria é diminuída. Se a tensão é diminuída e uma resistência é fixada, a capacidade de corrente também é diminuída devido à lei de Ohm (V = IR).
Petição 870170080495, de 20/10/2017, pág. 9/12
Adequadamente, à medida em que a descarga ocorre, o efeito da descarga também é diminuído. Além disso, no caso de se usar um relé de estado sólido (RES), uma vez que existem limitações na capacidade de corrente máxima permissível do RES, uma descarga inicial é executada com uma corrente baixa, de maneira toma-se muito tempo para executar a descarga. Além do mais, uma vez que o tempo para executar a descarga é estendido, não é possível completar perfeitamente a operação de descarga dentro do tempo limitado.
lo~ ~ ---------—A fig. 1 mostra a voltagem de uma bateria, a corrente de uma bateria e a energia de descargã”qüa'n_do'-uma-ba-texia é convencionalmente descarregada. No método de descarga convencional, uma bateria alvo para descarga e uma resistência de descarga são conectadas para diminuir a voltagem da bateria alvo da descarga. Neste momento, como mostrado na fig. 1, pode ser visto que o efeito de descarga é reduzido com o passar do tempo, uma vez que a resistência de descarga está fixada.
Por exemplo, se a voltagem mais alta da bateria for de 4,5 V e o consumo de potência da resistência de descarga for de 1 W, a corrente (I) é de cerca de 220 mA (P - VI) . Adequadamente, a resistência (R) é determinada para ser de 22,5 Ω (V = IR). Neste caso, no método em que se usa a resistência fixada como na arte anterior, se a resistência determinada (R = 22,5 Ω) for usada quando a voltagem da bateria se tornar 2,5 V, o fluxo de corrente será de aproximadamente 110 mA (V = IR).
Neste momento, a potência de descarga P consumida pela resistência é de cerca de 0,275 W (P = VI).
Em outras palavras, uma vez que a potência é consumida na resistência de descarga, a voltagem e a corrente são diminuídas com o passar do tempo, de modo que a energia consumida pela resistência de descarga também é reduzida.
Como descrito acima, de acordo com a arte anterior, o efeito de descarga é diminuído â medida em que transcorre o tempo de execução da descarga, de maneira que a redução da voltagem da bateria é atrasada e assim a descarga não pode ser perfeitamente executada dentro do tempo limitado.
Revelação da Invenção
Problema Técnico
Adequadamente, a invenção foi feita para resolver os problemas acima. Um objetivo da invenção é prover um aparato e um método para descarregar uma bateria adaptados para executar rapidamente a descarga da bateria em um pacote de baterias no qual as voltagens não são uniformes.
Solução Técnica
A invenção provê um método para descarregar a voltagem de uma bateria especifica com um sistema de gerenciamento de baferiars—(-SGB)—usado para uniformizar as voltagens de múltiplas baterias em um pacote de baterias, em que ã~~barberia—e—-uma._ resistência de descarga estão conectadas por meio de um relé de estado sólido (RES), e a limitação de corrente máxima aceitável no RES e a potência máxima aceitável na resistência de descarga são controladas através de PWM usando um sinal de controle do RES, baseado nas voltagens da bateria, para permitir que a capacidade de corrente média fluindo no RES conectado seja igual à capacidade de corrente máxima aceitável, de forma que a quantidade de carga remanescente da bateria seja diminuída dentro de um curto tempo enquanto a estabilidade operacional do RES fica garantida. Em outras palavras, de acordo com a invenção, um sinal de controle do tipo PWM é aplicado ao RES de modo que a energia consumida pela resistência de descarga (resistência de neutralização) seja constante.
Conforme um aspecto da invenção, é provido um método para descarregamento de baterias compreendendo as etapas de: medir a voltagem de uma bateria alvo de descarga dentre as múltiplas baterias em um pacote de baterias; calcular uma taxa de trabalho de PWM de uma seção de chaveamento conectando a bateria alvo para descarga e uma resistência de descarga usando o valor de voltagem medido e o valor da resistência de descarga; e controlar a seção de chaveamento dependendo da taxa de trabalho para manter constante a energia consumida na resistência de descarga.
Conforme outro aspecto da invenção, é provido um aparato para descarregamento de bateria compreendendo uma resistência de descarga conectada a uma bateria alvo para descarga dentre múltiplas baterias em um pacote de baterias, e descarregar a voltagem da bateria alvo de descarga; uma seção de chaveamento para conectar a bateria alvo para descarga e a resistência de descarga; uma seção de medição de voltagem para medir a voltagem da bateria alvo de descarga; e uma seção de controle para controlar a seção de chaveamento dependendo do valor de voltagem medido na bateria de modo a manter constante a energia consumida na resistência de descarga.
Breve Descrição dos Desenhos
Os objetivos acima e outras características e Vãntarre-n-s--da--presente invenção ficarão mais aparentes a partir da -os—desfinh o s comseguinte descrição detalhada acompanhantes, nos quais:
tomada
As figs. IA a 1C são diagramas de forma de onda da voltagem de uma bateria, da corrente da bateria e da potência de descarga quando a bateria é descarregada convencionalmente;
A fig. 2 é uma vista mostrando a estrutura de um aparato para descarregamento de bateria de acordo com uma forma de incorporação preferida da invenção;
As figs. 3A a 3C são diagramas de forma de onda da voltagem de uma bateria, da corrente efetiva da bateria e da potência e descarga quando a bateria é descarregada de acordo com uma forma de incorporação preferida da invenção; e
A fig. 4 é um fluxograma mostrando um método de descarga de bateria de acordo com uma forma de incorporação preferida da invenção.
Melhor Modo de Execução da Invenção
Em seguida, uma forma de incorporação preferida da presente invenção será descrita com referência aos desenhos acompanhantes. Na seguinte descrição da invenção, será omitida a descrição detalhada de funções conhecidas e configurações aqui incorporadas para não complicar desnecessariamente o assunto da presente invenção.
A fig. 2 é uma vista exibindo a estrutura de uma aparato para descarregamento de bateria de acordo com uma forma de incorporação preferida da invenção; as figs. 3a a 3c são gráficos que mostram a voltagem de uma bateria, a corrente efetiva da bateria e a potência de descarga quando a invenção é aplicada; e a fig. 4 é um fluxograma mostrando um método de descarregamento de baterias de acordo com uma forma de incorporação preferida da invenção.
Primeiro, o aparato para descarregamento de 5 bateria mostrado na fig. 1 compreende uma batería 104, uma resistência de descarga Rb que descarrega a energia carregada na bateria 104, uma seção de chaveamento 102 conectando a bateria 104 e a resistência de descarga Rb, uma seção de medição de voltagem 106 para medir a voltagem da bateria 104, e uma seção de controle 100 para controlar a seção de chaveamento dependendo do valor de voltagem medido na bateria de_ ’mõdb_ ã _ manter--c©n©ta-n-te - a_ene.r_gia consumida na resistência de descarga.
A invenção estruturada como descrito acima tem as características técnicas de que a corrente efetiva aplicada à resistência de descarga é ajustada por meio de um controle de PWM para manter constante a potência de descarga consumida na resistência de descarga, de forma que uma energia constante possa ser descarregada, com o passar do tempo, independentemente da queda de voltagem da bateria.
Em seguida, um processo da invenção será especificamente descrito.
Primeiro, se uma bateria 104 é descarregada com a finalidade de equilibrar um pacote de baterias provido em um veículo elétrico ou híbrido, a seção de medição de voltagem 106 mede periodicamente a voltagem da bateria 104, por exemplo a cada 1 segundo até que a descarga da bateria 104 seja completada. Quando o valor de voltagem medido é provido à seção de controle 100, a seção de controle 100 calcula uma taxa de trabalho de PWM usando o valor de voltagem medido na bateria 104 e o valor da resistência de descarga. O processo de cálculo é como se segue, (equação 1) (equação 2)
Se a resistência de descarga for Rb, a voltagem mais baixa quando a descarga é executada para que se possa calcular a resistência de descarga Rb, isto é, a voltagem mais baixa dentro de uma faixa de utilização da bateria, é Vmin, o fluxo de corrente na voltagem mais baixa é Imin e a potência de
P = VI
V = IR descarga consumida pela resistência de descarga Rb é Pmax, e a seguinte equação é induzida a partir das equações 1 e 2.
Rb = Vmin2/Pmax (equação 3)
Para regular a corrente aplicada à resistência de descarga Rb quando a descarga é executada usando a resistência de descarga Rb configurada, uma operação de chaveamento é executada por modulação de largura de pulso (PWM) para ajustar a corrente efetiva. Neste momento, se a corrente ajustada é IPWM, a corrente que não está sujeita ao ajuste de trabalho de PWM, isto é, a co-r-r-e-nte -ounndo a taxa de trabalho é de 100% é Inormai/ θ a presente voltagem é Vb, uma equação de cálculo da_liaxã'cie“trabalho—PWM—é obtida a partir das duas equações seguintes.
IPWM = Pmax/Vb (equação 4)
Inormai = Vb/Rb (equação 5) taxa de trabalho de PWM = {IPWM/Inormai) *100 (%) (equação 6)
A partir das três equações acima, a seguinte equação é induzida.
taxa de trabalho de PWM - (Rb*Pmax/Vb2) *100 (%) (equação 7)
Também, a partir das equações 3 e 7, a seguinte equação é obtida.
taxa de trabalho de PWM = (Vmin2/Vb2) *100 (%) (equação 8)
Para facilitar a compreensão, será apresentado um exemplo com respeito às equações 3 e 7, como se segue.
Se Pmax = 1 W e Vmin = 2,5 V, é obtido Rb = 6,25 Ω a partir da equação 3. Neste momento, a taxa de trabalho de PWM deve ser de 100% quando Vb alcançar Vmin. Adequadamente, pode ser visto a partir da equação 8 que a taxa de trabalho de PWM se torna 100% quando Vb for de 2,5 V. Além disso, quando Vb for 4,5 V, a taxa de trabalho de PWM se torna cerca de 30, 86% de acordo com a equação 8.
Em outras palavras, a seção de controle 100 pode determinar Rb a partir da equação 3 e obter a taxa de trabalho usando a voltagem da batería Vb, que é obtida sempre que a voltagem for medida, de acordo com a equação 8.
Quando a taxa de trabalho for calculada de acordo com a voltagem da batería medida no presente momento, a seção de controle 100 controla a seção de chaveamento 102 para chavear o estado conectado da descarga batería 104 e a resistência de descarga Rb, baseado na taxa de trabalho de PWM calculada.
A seção de chaveamento 100 pode prolongar sua vida útil e executar um chaveamento mais seguro usando um relé de estado sólido (RES), que é um relê feito com semicondutores, por exemplo.
Os processos acima são executados repetitivamente medindo-se periodicamente as presentes voltagens da bateria até que a descarga da bateria 104 correspondente seja completada.
—1-0-—-- Aplicabilidade Industrial
Como descrito acima^ dê~ ~acordo- -com- a- inve.nção, a corrente efetiva é regulada pelo controle de PWM da seção de chaveamento, em correspondência com a queda de voltagem da bateria que ocorre quando uma bateria do pacote de baterias provido ao veículo elétrico ou híbrido é descarregada. Adequadamente, a potência de descarga pode ser mantida constante independentemente da voltagem da bateria, de forma que a bateria pode ser rapidamente descarregada.
Além do mais, uma vez que o valor dos watts (W) da resistência usada para a descarga não é determinado em consideração à voltagem máxima da bateria mas calculado a partir da potência efetiva ajustada pelo controle de PWM, não é exigido usar uma resistência tendo um alto valor de W além do necessário, de modo que há muitas vantagens na montagem e custos do produto.
Mais adiante, no caso do RES ser adotado como a seção de chaveamento, uma vez que existe uma capacidade de corrente máxima aceitável para o RES, o dispositivo pode ser danificado quando a descarga é executada em consideração à voltagem máxima da bateria. Porém, de acordo com a invenção, já que a operação de descarga é executada pela voltagem ajustada pelo controle de PWM, a capacidade de corrente média que flui pelo RES está dentro da máxima capacidade de corrente aceitável pelo RES. Adequadamente, não há nenhuma possibilidade de danos ao dispositivo e a estabilidade operacional também é melhorada.
Enquanto a invenção foi mostrada e descrita com referência- a certas formas de incorporação preferidas, deve ser entendido por aqueles qualificados na arte que várias modificações na forma e detalhes podem ser feitas sem fugir do espírito e escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações anexas.

Claims (6)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. APARATO PARA NEUTRALIZAÇÃO DE TENSÃO EM UM PACOTE DE BATERIAS, compreendendo um aparato para descarregamento de tensão em um pacote de baterias, compreendendo:
    5 uma resistência de descarga (Rh) conectada a uma batería alvo para descarga (104) dentre múltiplas baterias no pacote de baterias, e descarregar a tensão da batería alvo de descarga (104);
    uma seção de chaveamento (102) para conectar a 10 batería alvo para descarga (104) e a resistência de descarga (Rh);
    uma seção de medição de tensão (106) para medir a tensão da batería alvo de descarga (104); e uma seção de controle (100) para calcular uma taxa de trabalho de PWM usando o valor de tensão medido da batería
    15 e o valor da resistência de descarga e para controlar a seção de chaveamento (102) para ajustar uma taxa de trabalho da seção de chaveamento (102) em uma maneira PWM dependendo do valor de tensão medido na batería (104) de modo a manter constante a energia consumida na resistência de descarga (Rb);
    20 onde o valor da resistência de descarga (Rb) é determinado pela seguinte equação, Rb=(Vmin2/Pmax), caracterizado por a taxa de trabalho de PWM da seção de chaveamento (102) ser calculada pela seguinte equação, taxa de trabalho de PWM = (Rb*Pmax/Vb2) *100 (%) = (Vmin2/Vb2) *100(%),
    25 onde:
    Vb é tensão medida na batería (104);
    Vmin é tensão mais baixa dentro de uma faixa de utilização da batería (104);
    Pmax é a potência consumida constante pela
    30 resistência de descarga (Rb).
  2. 2. APARATO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção de chaveamento (102) é um relé de estado sólido (RES).
  3. 3. APARATO, de acordo com a reivindicação 1, 35 caracterizado pelo fato de que o valor da resistência de descarga (Rb) é determinado de forma que a taxa de trabalho se torne 100%
    Petição 870170080495, de 20/10/2017, pág. 10/12 quando um valor medido (Vb) na bateria (104) alcança a voltagem mais baixa (Vmin) dentro de uma faixa de uso da bateria (104).
  4. 4. MÉTODO PARA. NEUTRALIZAÇÃO DE TENSÃO EM UM PACOTE DE BATERIAS, compreendendo um método para descarregar a
  5. 5 tensão em um pacote de baterias, compreendendo as etapas de:
    medição da tensão de uma bateria alvo para descarga (104) dentre múltiplas baterias no pacote de baterias;
    calcular uma taxa de trabalho de PWM de uma seção de chaveamento (102) conectando a bateria alvo para descarga (104) 10 e uma resistência de descarga (Rb) usando o valor de tensão medido e um valor da resistência de descarga (Rb); e controlar a seção de chaveamento (102) dependendo da taxa de trabalho para manter constante a energia consumida na resistência de descarga (Rb);
    15 onde o valor da resistência de descarga (Rb) é determinado pela seguinte equação, Rb=(Vmin2/Pmax), caracterizado por a taxa de trabalho de PWM da seção de chaveamento (102) ser calculada pela seguinte equação, taxa de trabalho de PWM = (Rb*Pmax/Vb2) *100 (%) = (Vmin2/Vb2) *100(%),
    20 onde:
    Vb é tensão medida na bateria (104);
    Vmin é tensão mais baixa dentro de uma faixa de utilização da bateria (104);
    Pmax é a potência consumida constante pela
    25 resistência de descarga (Rb).
    5. MÉTODO, de acordo com reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a seção de chaveamento (102) é um relê de estado sólido (RES).
  6. 6. MÉTODO, de acordo com reivindicação 4, 30 caracterizado pelo fato de que o valor da resistência de descarga (Rb) é determinado de modo que a taxa de trabalho se torne 100% quando o valor medido (Vb) da bateria (104) alcançar a tensão mais baixa (Vmin) dentro de uma faixa de utilização da bateria (104).
    Petição 870170080495, de 20/10/2017, pág. 11/12
    1/2
    Xb
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