ES2289993T3 - Circuito acoplado magneticamente para la igulacion autonoma de bateria. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de igualación de carga entre al menos unas primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías conectadas en serie, incluyendo cada batería un extremo positivo y un extremo negativo, donde el extremo positivo de la segunda batería (104; 204) está acoplado al extremo negativo de la primera batería (102; 202) en un nodo común (110; 210), comprendiendo el procedimiento las etapas de: conectar simultáneamente unos primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados acoplados magnéticamente de un transformador (T1) en paralelo con las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías, respectivamente, en la misma polaridad de forma que una de las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías con una carga mayor activen una corriente en un devanado correspondiente de los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados; caracterizado por las etapas de compensar una inductancia de fuga de al menos uno de los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados para incrementar una corriente inducida; provocar una corriente inducida para que salga del otro de los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados y hacia el otro de las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías con una carga menor de forma que la carga entre las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías tiende a igualarse; simultáneamente desconectar los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados del transformador respecto de las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías; y proporcionar un trayecto de corriente para que una corriente de reposición fluya a través de un devanado correspondiente de los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados y hacia la otra de las primera (102; 202) y segunda (104, 204) baterías con una carga menor de forma que la carga entre la primera (102; 202) y segunda baterías tiende a igualarse.
Description
Circuito acoplado magnéticamente para la
igualación autónoma de batería.
La presente invención se refiere al campo de las
técnicas de igualación de baterías y, más concretamente, a un
aparato acoplado magnéticamente para la igualación de baterías
apropiado para su conexión autónoma a las baterías.
Para generar un voltaje más alto que el
disponible con una batería única, varias baterías son típicamente
conectadas en serie de forma que puede disponerse de un voltaje
total relativamente elevado para mover una carga. Dado que es
deseable utilizar baterías recargables, se han creado unos circuitos
para cargar baterías los cuales cargan todas las baterías en una
secuencia en serie de una sola vez.
Debe tenerse cuidado de cargar completamente
cada batería de la secuencia en serie sin que una batería esté en
un estado de carga más alto que otra batería. Si existe una
diferencia entre una carga relativamente baja de una batería con
respecto a las otras baterías de la serie, la capacidad efectiva
total de la secuencia en serie de baterías se reduce a la capacidad
de la batería que tiene el estado bajo de carga.
Los circuitos de igualación de baterías han sido
creados para asegurar que todas las baterías de la secuencia en
serie alcancen sustancialmente el mismo estado de carga. La Patente
estadounidense 5,479,083 de Brainard ilustra un circuito de
igualación de baterías convencional que incluye un par de
transistores acoplados en serie conectados a través de un par de
baterías acopladas en serie. Un inductor L está conectado entre el
par de transistores y las baterías. Un oscilador produce unas
señales de activación de paso en los transistores de forma que son
alternativamente encendidos y apagados durante periodos de tiempo
sustancialmente iguales. El inductor opera como un derivador de
corriente no disipativo que es alternativamente conmutado en
paralelo con cada batería de forma que la carga excesiva en una
batería es transferida a la otra batería. Por desgracia, las
tolerancias de los componentes en el circuito de igualación de
Brainard afectará el grado de igualación obtenido entre las
baterías, particularmente las tolerancias que afectan al ciclo de
trabajo del oscilador y al ciclo de trabajo resultante presentado
por los transistores a las baterías. Por consiguiente, con el fin
de obtener una igualación satisfactoria, deben obtenerse unas
mediciones de la carga en cada batería y ser realimentadas hasta el
oscilador para cambiar el ciclo de trabajo cuando sea necesario
(véase la Fig. 3 de la Patente de Brainard).
La Patente estadounidense No. 5,710,504 de
Pascual divulga un circuito de igualación de baterías que no
requiere un mecanismo de realimentación hasta cada batería para
conseguir la adecuada igualación. Sin embargo, el circuito de la
patente de Pascual requiere que todos los dispositivos de
conmutación existentes dentro de un circuito estén sincronizados,
con independencia de cuántas baterías haya en la combinación en
serie. Cuando el número de baterías acopladas en serie es
relativamente alto y se produce un voltaje en los bornes desde la
batería de más arriba hasta la batería de más abajo, la topología
del circuito de Pascual puede producir estados de anomalía
indeseables.
Volviendo a la Fig. 1 de la patente de Pascual,
se muestra una pluralidad de baterías acopladas en serie; todos los
conmutadores 16 están sincronizados por medio de las líneas de
control 18 y de la unidad de control 12. Suponiendo que el voltaje
total desde la batería de más arriba hasta la batería de más abajo
sea sensiblemente elevado (por ejemplo, 600 voltios), debe
diseñarse un circuito práctico para soportar una falla desde el
borne de la batería de más arriba hasta el borne de la batería de
más abajo a través del cableado del circuito de igualación. A
menudo, las baterías acopladas en serie pueden suministrar muchos
amperios (hasta 1000 amperios o más) resultando difícil el diseño de
soportar una falla y no dañar a las otras baterías.
La Patente estadounidense No. 5,821,729 de
Schmidt divulga un procedimiento y un aparato para intercambiar la
carga entre una pluralidad de baterías donde los devanados de un
transformador están conectados en paralelo con cada batería a
intervalos de tiempo predeterminados. Cada batería está
simultáneamente conectada con un devanado respectivo en el mismo
sentido de devanado. Por desgracia, el aparato de Schmidt requiere
una sincronización precisa de los elementos de conmutación que
conectan los devanados con las respectivas baterías. Realmente, si
la sincronización de los elementos de conmutación no se controla con
precisión, el núcleo magnético común de los devanados del
transformador se saturará.
El documento
EP-A-1 230 723 es un documento de
la técnica anterior al que se aplica el apartado 3 del Art. 54 del
CPE, y no divulga un circuito igualizador que incluya un
condensador.
De acuerdo con ello, se necesita en la técnica
un nuevo circuito de igualación de baterías que sea capaz de una
operación autónoma (esto es, que no requiera la sincronización con
otros circuitos de igualación que den servicio a las baterías
acopladas en serie) y que no requiera una compensación en circuito
cerrado o una circuitería de control demasiado compleja para
obtener una igualación satisfactoria.
La invención proporciona un procedimiento de
carga de igualación entre las primera y segunda baterías conectadas
en serie, mediante el empleo de las etapas de: conectar
simultáneamente un devanado diferente entre los primero y segundo
devanados magnéticamente acoplados de un transformador en paralelo
con una batería asociada entre una primera y una segunda baterías,
respectivamente, en la misma polaridad de forma que esa batería
entre las primera y segunda baterías con una carga mayor activa una
corriente en un correspondiente devanado entre los primero y
segundo devanados; compensar una inductancia de fuga de al menos uno
de los primero y segundo devanados para incrementar una corriente
inducida; provocar una corriente inducida para que fluya fuera del
otro entre los primero y segundo devanados y dentro de la otra entre
las primera y segunda baterías con una carga menor, de forma que la
carga entre la primera y segunda baterías tienda a igualarse;
simultáneamente desconectar el primero y el segundo devanados del
transformador respecto de la primera y segunda baterías; y
proporcionar un trayecto de corriente para restablecer una corriente
que fluya a través del correspondiente devanado entre el primer y
segundo devanados y hacia el interior de la otra entre las primera y
segunda baterías con una carga menor de forma que la carga entre la
primera y segunda baterías tienda a igualarse.
De acuerdo con otro aspecto adicional de la
invención, el circuito de igualación de baterías incluye: un
transformador que tiene unos primero y segundo devanados acoplados
magnéticamente, teniendo cada devanado un primer extremo que define
una polaridad de devanado y un segundo extremo opuesto; un primer
condensador; un circuito de reposición de transformador acoplado
desde el primer devanado del transformador hasta el nodo positivo;
y un circuito de conmutación operable durante las etapas de
ENCENDIDO hasta i) acoplar simultáneamente el primer y segundo
devanados en paralelo con la primera y segunda baterías,
respectivamente, en la misma polaridad; y ii) acoplar el primer
condensador en paralelo con el primer devanado.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
invención, el circuito de igualación de baterías incluye: un
transformador que tiene un primer y un segundo devanados
magnéticamente acoplados, teniendo cada devanado un primer extremo
que define una polaridad del devanado y un segundo extremo opuesto;
un primer condensador; un segundo condensador acoplado desde el
nodo positivo hasta el nodo común; un circuito de reposición de
transformador acoplado desde el primer devanado del transformador
hasta el nodo positivo; y un circuito de conmutación operable
durante las etapas de ENCENDIDO hasta i) simultáneamente acoplar el
primer y segundo devanados en paralelo con la primera y segunda
baterías, respectivamente, en la misma polaridad; y ii) acoplar el
primer condensador en paralelo con el primer devanado.
Otros objetos, características, y ventajas de la
presente invención resultarán ahora evidentes a los expertos en la
materia tras la lectura de las enseñanzas incluidas en la misma,
tomadas en combinación con los dibujos adjuntos.
A los fines de ilustración de la invención, se
muestran en los dibujos determinadas formas actualmente preferentes,
entendiéndose, sin embargo, que la presente invención no está
limitada a las precisas disposiciones e instrumentaciones
mostradas.
La Fig. 1 es un esquema de un circuito de
igualación de baterías de acuerdo con un aspecto de la presente
invención;
la Fig. 2 es un esquema más detallado del
circuito de igualación de cargas de la Fig. 1;
la Fig. 3 es un esquema de un circuito de
igualación de baterías de acuerdo con otro aspecto de la presente
invención;
la Fig. 4 es un gráfico que ilustra las
comparaciones de las magnitudes de la corriente de igualación que
son obtenibles en los circuitos de las Figs. 1 y 3;
la Fig. 5 es una forma de realización
alternativa del circuito de igualación de baterías de la Fig. 3;
y
la Fig. 6 es un esquema más detallado del
circuito de igualación de cargas de la Fig. 5.
Con referencia a los dibujos que se acompañan,
en los que los mismos numerales indican los mismos elementos, en
ellos se muestra, en la Fig. 1, un diagrama de circuito que ilustra
un circuito de igualación de cargas 100 de acuerdo con un aspecto de
la presente invención.
El circuito de igualación de cargas 100 es
operable para igualar la carga contenida en unas respectivas
baterías 102 y 104 acopladas en serie. La batería 102 incluye un
extremo positivo acoplado al nodo positivo 106 y un extremo
negativo acoplado al nodo común 110. La batería 104 incluye un
extremo positivo acoplado al nodo común 110 y un extremo negativo
acoplado al nodo negativo 108.
Los expertos en la materia apreciarán que el
circuito de igualación de cargas 100 de la presente invención no
necesita operar con dos baterías completamente independientes, como
por ejemplo las baterías separadas 102 y 104, sino que puede operar
con células individuales dentro de una unidad de batería única. En
dicho caso, la batería 102 y 104 pueden considerarse como células
individuales acopladas en serie dentro de una unidad de
batería.
El circuito de igualación de cargas 100 de
acuerdo con la presente invención incluye un circuito de conmutación
112 conectable a las baterías acopladas en serie 102, 104 por medio
del nodo positivo 106 y del nodo negativo 108. El circuito de
igualación de cargas 100 incluye también un transformador T1, un
circuito de reposición de transformador 114, y un circuito de
activación de paso 116. El transformador T1 incluye un devanado
superior 118 y un devanado inferior 120 enrollado sobre un núcleo
común. Cada devanado 118, 120 incluye un extremo mostrado con una
línea de puntos para indicar la polaridad (o sentido) asociado con
ese devanado.
\newpage
El circuito de conmutación 112 preferentemente
incluye unos transistores de conmutación superior e inferior Q1,
Q2 que tienen cada uno un circuito de conducción controlada (por
ejemplo el circuito de drenaje de la fuente) acoplado en serie con
un devanado asociado de los devanados superior e inferior 118, 120
del transformador T1. Los transistores Q1, Q2 son preferentemente
dispositivos MOSFET; sin embargo, los expertos en la materia
comprenderán que pueden utilizarse otros tipos de transistores de
conmutación. Un drenaje del transistor Q1 está conectado al nodo
positivo 106, mientras que una fuente del transistor Q1 está
conectada a un extremo del devanado superior 118. Una fuente del
transistor Q2 está acoplada al nodo negativo108, mientras que un
drenaje del transistor Q2 está acoplado a un extremo inferior del
devanado inferior 120. Los devanados superior e inferior 118, 120
están conectados entre sí en el nodo común 110.
El circuito de activación de paso 116 incluye
dos salidas cada una de ellas para encender y apagar un transistor
respectivo entre los transistores Q1 y Q2 en un ciclo de trabajo
seleccionado. Es preferente que el ciclo de trabajo sea inferior a
aproximadamente un 50% para asegurar que el transformador T1 no se
sature. Realmente, el circuito es totalmente operativo para
cualquier ciclo de trabajo de menos del 50% (por ejemplo pueden
utilizarse ciclos de trabajo del 10%, 20% o 49%).
El circuito de reposición de transformador 114
está acoplado desde los devanados 118, 120 del transformador T1
hasta los nodos positivo y negativo 106, 108. El circuito de
reposición 114 preferentemente incluye un par de diodos D1, D2. El
ánodo del diodo D1 está conectado a la unión del devanado inferior
120 y al drenaje del transistor de conmutación Q2, mientras que
su cátodo está conectado al nodo positivo 106. El ánodo del diodo
D2 está acoplado al nodo negativo 108, y su cátodo está conectado a
la unión de la fuente del transistor Q1 y del devanado superior
118.
El circuito de conmutación 112 es
preferentemente operable para acoplar esencialmente de manera
simultánea los devanados superior e inferior 118, 120 en paralelo
con las baterías superior e inferior 102, 104, respectivamente, en
la misma polaridad (esto es, con el punto de cada devanado conectado
a un extremo positivo de la respectiva batería). En otras palabras,
el circuito de activación de paso 116 simultáneamente enciende los
transistores Q1 y Q2: la conducción del transistor Q1 provoca que
el devanado superior 118 esté conectado en paralelo con la batería
superior 102 de forma que el extremo de puntos del devanado
superior 118 está conectado al extremo positivo de la batería
superior 102; y, sustancialmente, de manera simultánea, la
conducción del transistor Q2 provoca que el devanado superior 120
esté conectado en paralelo con la batería inferior 104 con el
extremo de puntos del devanado inferior 120 conectado al extremo
positivo de la batería inferior 104.
Cuando los transistores Q1 y Q2 están ENCENDIDOS
(esto es, durante una etapa de ENCENDIDO), la batería superior 102
y la batería inferior 104, respectivamente, intentan activar la
corriente hacia el interior del devanador superior 118 y del
devanado inferior 120, respectivamente. Suponiendo, por ejemplo, que
la batería superior 102 tiene una carga más alta (esto es, un
potencial de voltaje más alto), la corriente fluirá desde el extremo
positivo de la batería superior 102, a través del transistor Q1,
y hacia el interior de devanado superior 118, y de nuevo hasta el
extremo negativo de la batería superior 102. La batería inferior
104, por consiguiente, no será capaz de oponer una corriente
inducida que salga del extremo de puntos del devanado inferior 120
y hacia el interior del extremo positivo de la batería inferior 104.
Esto efectivamente transfiere una carga desde la batería superior
102 hasta la batería inferior 104 durante las etapas de ENCENDIDO.
Los expertos en la materia apreciarán que si la batería inferior
104 tuviera una carga mayor que la batería superior 102, entonces
las direcciones del flujo de la corriente serían opuestas en los
devanados superior e inferior 118,120 del transformador T1 y una
corriente inducida fluiría hacia el interior del borne positivo de
la batería superior 102 en respuesta a una salida de la corriente
de activación del extremo positivo de la batería inferior 104 hacia
el interior del extremo de puntos del devanado inferior 120.
Suponiendo, de nuevo, que la batería superior
102 tiene una carga mayor que la batería inferior 104, durante las
etapas de ENCENDIDO del circuito de conmutación 112, la corriente de
activación que fluye desde la batería 102 hacia el interior del
extremo de puntos del devanado superior 118 carga la inductancia
imanadora del transformador T1, almacenando de esta forma la
energía en el transformador T1. Cuando el circuito de activación de
paso 116 APAGA los transistores Q1 y Q2 (esto es durante las etapas
de APAGADO), el circuito de reposición de transformador 114 es
preferentemente operable para reponer directamente la corriente
(esto es, la corriente inducida por un campo magnético desplomado
en el núcleo del transformador T1) hasta la batería que tiene una
carga inferior, aquí, la batería inferior 104. En particular, la
corriente de reposición fluirá fuera del extremo inferior del
devanado superior 118 del transformador T1 y hacia el interior del
extremo positivo de la batería inferior 104, a través del diodo D2
y de nuevo hacia el extremo de puntos del devanado superior 118. En
efecto, durante la etapa de APAGADO, el circuito de reposición de
transformador 114 es operable para acoplar la batería inferior 104
en paralelo con el devanado superior 118 en una polaridad opuesta a
la de la etapa de ENCENDIDO. Ventajosamente, la corriente de
reposición se utiliza para igualar la carga entre la batería
superior 102 y la batería inferior 104 durante las etapas de
APAGADO.
Los expertos en la materia apreciarán que la
corriente de reposición será dirigida hacia el interior de cada una
de las baterías inferior y superior 102 y 104 por medio del diodo D1
y D2 cuando las baterías superior e inferior 102 y 104 tengan
sustancialmente la misma carga (esto es, cuando estén
igualadas).
Se hace referencia ahora a la Fig. 2 que es un
esquema más detallado del circuito de igualación de cargas 100 de
la Fig. 1. Los expertos en la materia apreciarán que los componentes
concretos de la Fig. 2 se muestran únicamente a modo de ejemplo y
que pueden efectuarse otras muchas modificaciones y variantes en el
circuito sin apartarse del ámbito de la invención, tal y como se
define en las reivindicaciones adjuntas.
Se hace ahora referencia a la Fig. 3, la cual
ilustra un circuito de igualación de cargas 200 de acuerdo con otro
aspecto de la presente invención. El circuito de igualación de
cargas 200 es conectable a un par de baterías acopladas en serie
que incluye una batería superior 202 y una batería inferior 204 en
unos nodos positivo, negativo y común 206, 208, y 210,
respectivamente. El circuito de igualación de cargas incluye un
circuito de conmutación 212, un transformador T1, un circuito de
reposición de transformador 214 y un circuito de activación de paso
210.
Cada uno de los devanados inferior y superior
218, 220 del transformador T1 se muestran con una inductancia de
fuga parásita (L_{leak}) conectada en serie con aquellos. Los
expertos en la materia apreciarán que, en un transformador
práctico, cualquier inductancia de fuga es un elemento no ideal del
circuito y en general produce un rendimiento reducido del circuito.
En el caso de los circuitos de igualación de cargas que utilizan
transformadores, la inductancia de fuga en general limita la
magnitud de la corriente y la carga que puede ser absorbida desde
una batería y suministrada a otra batería. Realmente, la corriente
de activación desde la batería que tiene una carga mayor está
limitada por la impedancia combinada de esa batería, del devanado
del transformador, del circuito de conmutación, y por la impedancia
de los componentes del otro circuito reflejados por medio de la
acción del transformador.
Por desgracia, la inductancia de fuga parásita
no puede ser reducida sin los efectos negativos correspondientes en
el transformador, por ejemplo, la reducción de la inductancia de
imanación y el incremento de la energía de imanación. Determinados
procedimientos de la técnica anterior para reducir la inductancia de
fuga sin las correspondientes reducciones de la inductancia de
imanación (y los incrementos en la energía de imanación) han ido
dirigidos a la mejora de la relación de inductancia de imanación con
inductancia de fuga del transformador a base de configuraciones de
devanado complejas, como por ejemplo el empleo de devanados
coaxiales.
El circuito de conmutación 212 preferentemente
incluye unos transistores de conmutación superior e inferior Q1, Q2
acoplados en serie con los devanados inferior y superior 118,120 del
transformador T1. Los transistores Q1, Q2 son preferentemente
dispositivos MOSFET; sin embargo, los expertos en la materia
comprenderán que pueden utilizarse otros tipos de transistores de
conmutación. El circuito de conmutación 212 es preferentemente
operable para acoplar simultáneamente los devanados superior e
inferior 218, 220 (y las inductancias de fuga asociadas) en
paralelo con las baterías inferior y superior 202, 204,
respectivamente en la misma polaridad. El transistor Q2 está
conectado de una forma sustancialmente igual al transformador T1 y a
la batería inferior que en el circuito de igualación 100 de la Fig.
1. El transistor Q1, sin embargo, está conectado entre los
devanados inferior y superior 218, 220 con el drenaje conectado a un
extremo inferior del devanado superior 218 y con la fuente acoplada
hacia el extremo de puntos del devanado inferior 220, entendiéndose
que la inductancia de fuga es distribuida a lo largo del devanado
inferior 220. El extremo de puntos del devanado superior 218 está
acoplado al nodo positivo 206, y al extremo positivo de la batería
superior 202 cuando la batería superior 202 está conectada al
circuito de igualación 200.
Un condensador superior C1 está conectado desde
el nodo positivo 206 hasta la unión de: i) la fuente del transistor
Q1; ii) el extremo de puntos del devanado inferior 220; y iii) el
nodo común 210. Los expertos en la materia apreciarán que el
condensador superior C1 está efectivamente conectado en paralelo con
la batería superior. Un condensador inferior C2 está conectado
desde la unión del devanado superior 218 y el drenaje del transistor
Q1 hasta la unión del devanador inferior 220 y el drenaje del
transistor Q2.
Preferentemente, el circuito de reposición de
transformador 214 incluye un diodo D1 que tiene un ánodo conectado
a la unión del devanado inferior 220, un condensador C2 y el
drenaje del transistor Q2. El diodo D1 incluye también un cátodo
acoplado al nodo positivo 206.
El circuito de activación de paso 216 es
preferentemente operable para i) ENCENDER los transistores Q1 y Q2
sustancialmente de manera simultánea durante las etapas de
ENCENDIDO; y ii) APAGAR sustancialmente de manera simultánea
durante las etapas de APAGADO: cuando los transistores Q1 y Q2 están
ENCENDIDOS, las devanados inferior y superior 218, 220 están
acoplados en paralelo con las baterías inferior y superior 202, 204,
respectivamente. Así mismo, el condensador inferior C2 está
acoplado en paralelo con la batería inferior 204. Así, el
condensador superior C1 y el condensador inferior C2 cargarán o
descargarán de tal forma que sus voltajes de borne coincidan con
los respectivos voltajes de las baterías 202 y 204. Cuando los
transistores Q1 y Q2 están ENCENDIDOS (esto es, durante la etapa de
ENCENDIDO), la batería superior 202 y la batería inferior 204
intentan activar la corriente hasta el devanado superior 218 y el
devanado inferior 220, respectivamente. Suponiendo, por ejemplo,
que la batería superior 202 tiene una carga más alta (esto es, un
potencial de carga de voltaje más alto), una corriente fluirá desde
el extremo positivo de la batería superior 202, hasta el devanado
superior 218, a través del transistor Q1 y de nuevo hasta un
extremo negativo de la batería superior 202. La batería inferior
204, por consiguiente, no será capaz de oponer una corriente
negativa que fluya fuera del extremo de puntos del devanado
inferior 220 y hacia el extremo positivo de la batería inferior 204.
Esto efectivamente transfiere una carga desde la batería superior
202 hasta la batería inferior 204 durante las etapas de ENCENDIDO.
Los expertos en la materia apreciarán que si la batería inferior
204 tuviera una carga mayor que la batería superior 202, entonces
las direcciones de flujo de la corriente serían opuestas en los
devanados superior e inferior 218, 220 del transformador T1 y una
corriente inducida fluiría hacia el borne positivo de la batería
superior 202 en respuesta a una corriente de activación que saldría
del extremo superior de la batería 204 hasta el extremo de puntos
del devanado inferior 220.
Suponiendo que la batería superior 202 tiene una
carga mayor que la batería inferior 204, las magnitudes respectivas
de la corriente activada por la batería superior 202 hacia el
devanado superior 218 es una función de: i) las impedancias
combinadas de la batería superior 202, el devanado superior 218,
incluyendo la inductancia de fuga) y la impedancia del transistor
Q1; y ii) la combinación paralela reflejada de las impedancias de
la batería inferior 204, el devanado inferior 220, y el condensador
inferior C2. Ventajosamente, el condensador inferior C2 está
efectivamente en paralelo con el devanado inferior 220 (y su
inductancia de fuga) durante las etapas de ENCENDIDO del circuito
de conmutación 212 y, por consiguiente, reduce la impedancia
reflejada hasta el devanado superior 218. En consecuencia, la
magnitud de la corriente de activación desde la batería superior 202
hasta el devanado superior 218 es mayor de lo que sería sin el
condensador inferior C2.
Así mismo, suponiendo que la batería superior
202 tiene una carga más alta que la batería inferior 204, cuando el
circuito de activación de paso 216 desconecta sustancialmente de
manera simultánea los devanados superior e inferior 218, 220
respecto de las baterías superior e inferior 202, 204,
respectivamente (esto es, durante las etapas de APAGADO), el
circuito de reposición de transformador 214 es perfectamente
operable para proporcionar un trayecto de corriente para que una
corriente de reposición fluya hacia el extremo de puntos del
devanado superior 218, a través del condensador C2 y a través del
diodo D1. Esto carga el condensador C2 con la energía almacenada en
el transformador T1 durante la etapa de ENCENDIDO. Así, cuando el
circuito de activación de paso 216 ENCIENDE los transistores Q1 y
Q2, acoplando con ello el condensador C2 en paralelo con la batería
204, la carga elevada en el condensador C2 desde la corriente de
reposición carga la batería inferior 204, tendiendo con ello igualar
las baterías 202 y 204.
Cuando la batería inferior 204 tiene una carga
mayor que la batería superior 202, durante las etapas de ENCENDIDO
la batería inferior 204 activa una corriente hasta el extremo de
puntos del devanado inferior 220 de forma que una corriente
inducida sale del extremo de puntos del devanado superior 218 y
hacia al menos uno entre: i) el condensador superior C1; y ii) la
batería superior 202, tendiendo con ello a igualar la carga en las
baterías superior e inferior 202, 204.
Cuando el circuito de conmutación 216 APAGA los
transistores Q1 y Q2, el circuito de reposición de transformador
214 es preferentemente operable para proporcionar un trayecto de
corriente para que una corriente de reposición fluya hacia el
extremo de puntos del devanado inferior 220, a través del diodo D1 y
hacia al menos uno entre: i) el condensador C1; y ii) la batería
superior 202, tendiendo con ello a igualar las cargas en las
baterías superior e inferior 202, 204 durante las etapas de
APAGADO. Los expertos en la materia apreciarán que cualquier carga
transferida al condensador superior C1 por medio de la corriente de
reposición sería en último término transferida a la batería
superior 202 hasta el punto de que el voltaje de borne a través del
condensador superior C1 excediera el voltaje de la batería superior
202.
Con referencia ahora a la Fig. 4, la magnitud de
la corriente de igualación respecto de las diferencias de voltaje
entre las baterías superior e inferior 202, 204 se muestra bajo las
siguientes condiciones: i) sin impedancia de fuga (esto es, una
condición ideal); ii) con inductancia de fuga y sin circuitería de
compensación (esto es, el circuito de la Fig. 1); y iii) con
inductancia de fuga y el circuito de la Fig. 3. Ventajosamente, la
magnitud de las corrientes de igualación que entra en el circuito de
la Fig. 3 es sustancialmente mayores de las que entra en el
circuito de la Fig. 1. Por consiguiente, la igualación como entre
las baterías superior e inferior 202, 204 puede ser más rápidamente
obtenida utilizando el circuito de la Fig. 3.
Con referencia ahora a la Fig. 5, en ella se
muestra una forma de realización alternativa del circuito igualador
200 de la Fig. 3. El circuito igualador 200 de la Fig. 5 es
sustancialmente similar al circuito de la Fig. 3 excepto porque el
condensador superior C1 no es utilizado. El funcionamiento del
circuito de la Fig. 5 es sustancialmente similar al funcionamiento
del circuito de la Fig. 3 excepto porque las corrientes inducidas,
las corrientes de reposición, y las corrientes de carga fluyen a
través del condensador C1. La carga y/o descarga del condensador
C2, sin embargo, es la misma que en el circuito de la Fig. 3.
Se hace ahora referencia a la Fig. 6, en la cual
se ilustra un diagrama esquemático más detallado para llevar a la
práctica el circuito de igualación 200 de la Fig. 5. Los expertos en
la materia apreciarán que los componentes y las configuraciones
concretas del circuito se muestran únicamente a modo de ejemplo y
que pueden efectuarse muchas modificaciones y variantes sin
apartarse del ámbito de la invención, tal y como se define en las
reivindicaciones adjuntas.
Es de máxima preferencia que el circuito de
igualación de cargas de la presente invención sea ejecutado sobre
una tarjeta de circuito impreso que esté dispuesta próxima a las
baterías 102 y 104. Cuando el número de baterías excede de 2, por
ejemplo, 3, 4, 5 6, etc., puede emplearse un circuito de igualación
de cargas 300 para cada par de baterías.
Ventajosamente, no necesitan compartirse ningún
tipo de sincronización u otras señales de control entre los
circuitos de igualación de cargas para otros pares de baterías (esto
es, cada circuito de igualación de cargas es autónomo). Los
circuitos de igualación de cargas están así distribuidos en las
baterías para un funcionamiento de máxima comodidad y seguridad.
Aunque la presente invención ha sido descrita
en relación con formas de realización concretas de la misma, para
los expertos en la materia resultarán evidentes otras variantes y
modificaciones y otros usos, sin apartarse del ámbito de la
invención tal y como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (21)
1. Un procedimiento de igualación de carga entre
al menos unas primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías
conectadas en serie, incluyendo cada batería un extremo positivo y
un extremo negativo, donde el extremo positivo de la segunda batería
(104; 204) está acoplado al extremo negativo de la primera batería
(102; 202) en un nodo común (110; 210), comprendiendo el
procedimiento las etapas de:
- conectar simultáneamente unos primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados acoplados magnéticamente de un transformador (T1) en paralelo con las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías, respectivamente, en la misma polaridad de forma que una de las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías con una carga mayor activen una corriente en un devanado correspondiente de los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados;
caracterizado por las etapas de
compensar una inductancia de fuga de al menos
uno de los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados para
incrementar una corriente inducida;
provocar una corriente inducida para que salga
del otro de los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados y
hacia el otro de las primera (102; 202) y segunda (104; 204)
baterías con una carga menor de forma que la carga entre las primera
(102; 202) y segunda (104; 204) baterías tiende a igualarse;
simultáneamente desconectar los primero (118;
218) y segundo (120; 220) devanados del transformador respecto de
las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías; y
proporcionar un trayecto de corriente para que
una corriente de reposición fluya a través de un devanado
correspondiente de los primero (118; 218) y segundo (120; 220)
devanados y hacia la otra de las primera (102; 202) y segunda (104,
204) baterías con una carga menor de forma que la carga entre la
primera (102; 202) y segunda baterías tiende a igualarse.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en
el que la etapa de desconectar simultáneamente los primero (118,
218) y segundo (120; 220) devanados respecto de las primera y
segunda baterías es llevada a cabo utilizando unos primero (Q1) y
segundo (Q2) transistores de conmutación.
3. El procedimiento de la reivindicación 1, en
el que la etapa de conectar simultáneamente los primero (118; 218) y
segundo (120; 220) devanados en paralelo con las primera (102, 202)
y segunda (104; 204) baterías se lleva a cabo utilizando:
- un primer transistor de conmutación (Q1) acoplado en un extremo al extremo positivo de la primera batería (102, 202) en un nodo positivo (106; 206) y un segundo transistor de conmutación (Q2) acoplado en un extremo al extremo negativo de la segunda batería (104; 204) en un nodo negativo (108; 208);
en el que cada devanado del transformador (T1)
incluye un primer extremo que define una polaridad del devanado y un
segundo extremo opuesto de forma que:
- i)
- el primer extremo del primer devanado (118; 218) está acoplado a un extremo opuesto del primer transistor de conmutación (Q1),
- ii)
- el primer extremo del segundo devanado (120; 220) está acoplado a un extremo opuesto del segundo transistor de conmutación (Q2); y
- iii)
- el segundo extremo del primer devanado (118; 218) está acoplado al primer extremo del segundo devanado (120; 220).
4. El procedimiento de la reivindicación 3, en
el que la etapa de proporcionar un trayecto de corriente para que
una corriente de reposición fluya a través de un devanado
correspondiente de los primero (118; 218) y segundo (120; 220)
devanados se lleva a cabo utilizando:
- un primer diodo (D1) que tiene un ánodo acoplado al segundo extremo del segundo devanado (120; 220)
- y un cátodo acoplado al ánodo positivo; y
- un segundo diodo (D2) que tiene un ánodo acoplado desde el nodo negativo (108) y un cátodo acoplado al primer extremo del primer devanado (118; 218).
5. Un circuito de igualación de baterías para
igualar la carga entre al menos unas primera (102; 202) y segunda
(104; 204) baterías conectadas en serie, incluyendo cada batería un
extremo positivo y un extremo negativo, donde el extremo negativo de
la primera batería es conectable a un nodo negativo (108; 208) del
circuito de igualación, el extremo positivo de la segunda batería
(104; 204) está acoplado al extremo negativo de la primera batería
(102; 202) y es conectable a un nodo común (110; 210) del circuito
igualador, y el extremo positivo de la primera batería (102; 202) es
conectable a un nodo positivo (106; 206) del circuito igualador,
comprendiendo el circuito de igualación de baterías:
- un transformador (T1) que tiene unos primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados magnéticamente acoplados, teniendo cada devanado un primer extremo que define una polaridad del devanado y un segundo extremo opuesto;
caracterizado por
un primer condensador (C1);
un circuito de reposición de transformador (114;
214) acoplado desde el primer devanado (118; 218) del transformador
(T1) hasta el nodo positivo (106); y
un circuito de conmutación (112; 212) operable
durante las etapas de ENCENDIDO para
- i)
- acoplar simultáneamente los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados en paralelo con las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías, respectivamente, en la misma polaridad; y
- ii)
- acoplar el primer condensador (C1) en paralelo con el primer devanado (118; 218).
6. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 5, en el que, durante los tiempos de ENCENDIDO, una
de las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías con una
carga mayor activa una corriente en un devanado correspondiente de
los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados, y una
corriente inducida sale del otro de los primero (118; 218) y segundo
(120; 220) devanados y hacia la otra de las primera (102; 202) y
segunda (104; 204) baterías con una carga menor de forma que la
carga entre las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías
tiende a igualarse durante las etapas de ENCENDIDO.
7. El circuito de igualación de baterías de
acuerdo con la reivindicación 5 o la reivindicación 6 en el que
el primer condensador(C1) está acoplado
desde el nodo positivo (106; 206) hasta el nodo negativo (110;
210).
8. El circuito de igualación de baterías de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 o 7 en el que
la segunda batería (104; 204) activa una
corriente hacia el segundo devanado (120; 220) y una corriente
inducida sale del primer devanado (118; 218) y carga al menos uno
entre la primera batería (102; 202) y el primer condensador.
9. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 8 en el que las respectivas magnitudes de la
corriente activada hacia el segundo devanado (120; 220) y la
corriente inducida que sale del primer devanado (118; 218) son
funciones de una combinación paralela de las impedancias del primer
condensador(C1) el primer devanado (118; 218) y la primera
batería (102; 202).
10. El circuito de igualación de baterías de
cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9 comprendiendo así mismo un
segundo condensador (C2) acoplado desde el nodo negativo (108; 208)
hasta el nodo común (110; 210).
11. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 10, en el que la primera batería (102; 202) activa
una corriente hacia el primer devanado (118; 218) y una corriente
inducida sale del primer devanado (118; 218) y carga al menos uno
entre la segunda batería (104; 204) y el segundo condensador
(C2):
- i)
- durante las etapas de ENCENDIDO; y
- ii)
- cuando la primera batería (102; 202) tiene una carga mayor que la segunda batería (104; 204).
12. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 11, en el que las respectivas magnitudes de la
corriente activada hacia el primer devanado (118; 218) y la
corriente inducida que sale del segundo devanado (120; 220) son
funciones de una combinación paralela de impedancias del segundo
condensador (C2), el primer devanado (118, 218) y la primera batería
(102, 202).
13. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 11, en el que:
- el circuito de conmutación (112; 212) es operable para desconectar simultáneamente los primero (218) y segundo (220) devanados del transformador desde las primera y segunda baterías durante las etapas de APAGADO; y
\newpage
- el circuito de reposición de transformador (114; 214) es operable para proporcionar un trayecto de corriente para que una corriente de reposición fluya a través del primer devanado (118; 218) y hacia el segundo condensador (C2) de forma que el segundo condensador (C2) carga durante las etapas de APAGADO.
14. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 13, en el que al menos algo de la carga en el segundo
condensador (C2) procedente de la corriente de reposición durante
las etapas de APAGADO carga la segunda batería (104; 204) durante
las etapas de ENCENDIDO.
15. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 10, en el que la segunda batería (104; 204) activa
una corriente hasta el segundo devanado (120; 220) y una corriente
inducida sale del primer devanado (118; 218) y carga la primera
batería (102; 202):
- i)
- durante las etapas de ENCENDIDO; y
- ii)
- cuando la segunda batería (104; 204) tiene una carga mayor que la primera batería (102; 202).
16. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 10, en el que:
- el circuito de conmutación (112, 212) es operable para desconectar simultáneamente los primero (118; 218) y segundo (120; 220) devanados del transformador (T1) desde las primera (102; 202) y segunda (104; 204) baterías durante las etapas de APAGADO; y
- el circuito de reposición de transformador (114; 214) es operable para proporcionar un trayecto de corriente para que una corriente de reposición fluya a través del segundo devanado (120; 220) y hacia la primera batería (118; 218) de forma que la carga entre la segunda (104; 204) y la primera (102; 202) baterías tiende a igualarse durante las etapas de APAGADO.
17. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 10, en el que:
- el circuito de conmutación (112, 212) incluye un primer transmisor de conmutación (Q1) acoplado desde el segundo extremo del primer devanado (118; 218) del transformador (T1) hasta:
- i)
- el nodo común, y ii) el primer extremo del segundo devanado (120; 220) y el primer extremo del primer devanado del transformador (T1) es acoplado al nodo positivo (106; 206); y
- un segundo transistor de conmutación (Q2) acoplado desde el nodo negativo (108; 208) hasta el segundo extremo del segundo devanado (120; 220) del transformador (T1).
18. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 10, comprendiendo así mismo un circuito de activación
(116; 216) operable para polarizar en ENCENDIDO y APAGADO los
primero (Q1) y segundo (Q2) transistores de conmutación
sustancialmente de manera simultánea en un ciclo de trabajo inferior
al 50%.
19. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 10, en el que el circuito de reposición de
transformador (114; 214) comprende un diodo (D1) que tiene un ánodo
acoplado al segundo extremo del segundo devanado (120; 220) y un
cátodo acoplado al nodo positivo (106; 206).
20. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 10, en el que los primero (Q1) y segundo (Q2)
transistores de conmutación son MOSFETs conectados de forma que:
- i)
- un drenaje del primer transistor de conmutación (Q1) es acoplado al segundo extremo del primer devanado (118; 218) y una fuente del primer transistor de conmutación (Q1) es acoplada al nodo común (110; 210), y
- ii)
- una fuente del segundo transistor de conmutación es acoplada al nodo negativo (108; 208) y un drenaje del segundo transistor de conmutación (Q2) es acoplado al segundo extremo del segundo devanado (120; 220).
21. El circuito de igualación de baterías de la
reivindicación 10, en el que las primera (102; 202) y segunda (104;
204) baterías son unas células de batería que forman al menos una
parte de una unidad de batería.
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