ES2724701A1 - MECHANISM OF ACTIVE BALANCING OF CONDENSERS AND SUPERCONDENSERS DURING THE CHARGING PROCESS (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
MECANISMO DE BALANCEO ACTIVO DE CONDENSADORES Y CONDENSER ACTIVE BALANCE MECHANISM AND
SUPERCONDENSADORES DURANTE EL PROCESO DE CARGASUPERCONDENSERS DURING THE LOAD PROCESS
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece, un mecanismo de balanceo activo de condensadores y supercondensadores durante el proceso de carga con la particularidad de que presenta unas corrientes de fuga prácticamente nulas o ultrabajas.It is the object of the present invention, as the title of the invention establishes, an active balancing mechanism of capacitors and supercapacitors during the charging process with the particularity that it presents practically zero or ultra-low leakage currents.
Caracteriza a la presente invención la especial configuración y funcionalidad de los medios electrónicos empleados de manera que se consigue un balanceo activo de condensadores, únicamente durante la carga de los condensadores, desconectándose dichos medios de balanceo una vez alcanzado el mismo y durante el proceso de descarga, derivando todo esto en un consumo de energía mínimo de energía.The present invention characterizes the special configuration and functionality of the electronic means used so that active capacitor balancing is achieved, only during the charging of the capacitors, said balancing means being disconnected once it has been reached and during the discharge process. , deriving all this in a minimum energy consumption of energy.
Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de la electrónica y en particular dentro de los medios de balanceo empleados en la carga de condensadores dispuestos en serie.Therefore, the present invention is circumscribed within the field of electronics and in particular within the balancing means used in the charging of capacitors arranged in series.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Debido al advenimiento de nuevas tecnologías en la construcción de condensadores, actualmente se pueden logar capacidades de varios faradios en tamaños sumamente reducidos. Este tipo de condensadores, denominados EDLC (Electric double-layer capacitors) tienen una elevada capacidad, pero su tensión máxima de operación es reducida (de unos pocos voltios), y para lograr alcanzar una capacidad considerable a una tensión más elevada, es necesario conectarlos en serie.Due to the advent of new technologies in the construction of capacitors, capacities of several farads in extremely small sizes can now be achieved. These types of capacitors, called EDLC (Electric double-layer capacitors) have a high capacity, but their maximum operating voltage is reduced (a few volts), and to achieve a considerable capacity at a higher voltage, it is necessary to connect them serially.
Sin embargo, dicha conexión en serie puede generar tensiones por encima de los límites de operación de los supercondensadores cuando estos se cargan, ya que al no ser exactamente idénticos, la carga de distribuye de forma desigual entre ellos. Si durante el proceso de carga de una batería de supercondensadores en serie, en uno de ellos se excede la tensión máxima de operación, este elemento se deteriora rápidamente afectando al funcionamiento del conjunto de los elementos en serie.However, said serial connection can generate voltages above the operating limits of the supercapacitors when they are charged, since not being exactly identical, the load distributes unevenly between them. If during the charging process of a battery of supercapacitors in series, in one of them the maximum operating voltage is exceeded, this element deteriorates rapidly affecting the operation of the series of elements in series.
Para evitar que se produzca una distribución de carga desigual entre los elementos que componen la batería de condensadores en serie, se debe colocar un sistema de balanceo.To prevent uneven charge distribution between the elements that make up the series capacitor bank, a balancing system must be placed.
A continuación se enumeran, por orden de complejidad, los sistemas de balanceo de carga de condensadores que existen actualmente:Listed below are, in order of complexity, the capacitor load balancing systems that currently exist:
- Sistema de balanceo basado en resistencias en paralelo. Este sistema es el más empleado por su simplicidad, pero es inseguro y además la corriente de fugas es muy elevada. Este sistema se denomina "balanceo pasivo”- Balancing system based on parallel resistors. This system is the most used for its simplicity, but it is insecure and also the leakage current is very high. This system is called passive balancing.
- Sistema de balanceo en el que se han substituido las resistencias por diodos zener, cuya corriente de fugas es menor que una resistencia cuando no se ha alcanzado la tensión de zener. Dicha tensión de zener tiene que ser inferior a la tensión máxima de operación del supercondensador. Este sistema es seguro, pero tiene todavía una corriente de fugas elevada.- Balancing system in which the resistors have been replaced by zener diodes, whose leakage current is less than a resistance when the zener voltage has not been reached. Said zener voltage must be less than the maximum operating voltage of the supercapacitor. This system is safe, but still has a high leakage current.
- Sistema de balanceo que incluye un amplificador operacional para lograr el objetivo, que no es otro que consumir o entregar corriente por la salida del opamp para mantener la tensión fijada por un divisor equidistante en el punto medio de la conexión serie de dos supercondensadores.- Balancing system that includes an operational amplifier to achieve the objective, which is none other than to consume or deliver current through the opamp output to maintain the voltage set by an equidistant divider at the midpoint of the series connection of two supercapacitors.
- Sistema de balanceo basado en la conexión de transistores mosfet con una tensión de umbral Vth adaptada a la tensión máxima del condensador.- Balancing system based on the connection of mosfet transistors with a threshold voltage Vth adapted to the maximum capacitor voltage.
- Sistema de balanceo que emplea un comparador, adecuadamente elegido, puede lograr un consumo muy bajo del sistema de detección de exceso de tensión. Sin embargo, incluso este sistema, siendo el más sofisticado, mantiene la supervisión de la tensión del supercondensador durante la fase de descarga.- Balancing system that employs a comparator, properly chosen, can achieve a very low consumption of the excess voltage detection system. However, even this system, being the most sophisticated, keeps monitoring the supercapacitor voltage during the discharge phase.
En el estado de la técnica se conocen las siguientes patentes:The following patents are known in the state of the art:
- US20030214267A1, que describe un circuito de balanceo de ultracondensadores. Este sistema está pensado para lograr un bajo consumo cuando los condensadores se encuentran balanceados, pero sus elementos permanecen continuamente conectados esté o no esté el banco en condiciones de carga. - US20030214267A1, which describes a balancing circuit of ultracapacitors. This system is designed to achieve low consumption when the capacitors are balanced, but their elements remain continuously connected, whether or not the bank is in load conditions.
- US20120161858A1, describe un circuito de balanceo de condensadores y método de control para un dispositivo electrónico tal como un inversor de potencia multinivel. Esta patente incluye un mecanismo de balanceo basado en transistores, de forma activa, pero está enfocado sistemas basados en tensión AC y además no menciona la condición de desconexión o de bajo consumo. - US6980451B2 describe un método y un aparato para balanceo de la corriente de fugas de un condensador activo. Al igual que la anterior, esta patente está enfocada en un mecanismo de balanceo activo que no busca el bajo consumo (todo lo contrario, el consumo es muy elevado)- US20120161858A1, describes a capacitor balancing circuit and control method for an electronic device such as a multilevel power inverter. This patent includes a balancing mechanism based on transistors, actively, but it is focused on AC voltage based systems and also does not mention the disconnection or low consumption condition. - US6980451B2 describes a method and an apparatus for balancing the leakage current of an active condenser. Like the previous one, this patent is focused on an active balancing mechanism that does not seek low consumption (on the contrary, consumption is very high)
Existen otras patentes relacionadas con el balanceo, pero todas ellas se basan en introducir un mecanismo paralelo, pero no prevén su desconexión durante la fase de no-carga tal y como US20170033569 ó US6806686.There are other patents related to balancing, but all of them are based on introducing a parallel mechanism, but they do not foresee their disconnection during the no-load phase such as US20170033569 or US6806686.
Todos los sistemas de balanceo existentes actualmente se basan en el hecho de que los condensadores permanecen continuamente conectados a dicho sistema de balanceo, permitiendo iniciar la carga de la batería de supercondensadores de forma totalmente autónoma y en cualquier momento.All currently existing balancing systems are based on the fact that the capacitors remain continuously connected to said balancing system, allowing the charging of the supercapacitor battery to start fully autonomously and at any time.
Es un hecho que cualquier dispositivo electrónico conectado en paralelo con los condensadores introducirá una corriente de fuga que irá descargando paulatinamente el condensador que debe proteger.It is a fact that any electronic device connected in parallel with the capacitors will introduce a leakage current that will gradually discharge the capacitor that it must protect.
Sin embargo, es evidente entender que un sistema de supercondensadores, cuando se emplea a modo de acumulador de energía, estará sometido a situaciones prolongadas en las cuales no se produce carga porque no se dispone de una fuente de energía, y es el propio banco de condensadores el que actúa de "batería recargable”.However, it is clear to understand that a supercapacitor system, when used as an energy accumulator, will be subject to prolonged situations in which no charge is produced because a power source is not available, and it is the bank itself. capacitors which acts as a "rechargeable battery".
Y también es evidente entender que una descompensación que pueda incurrir en un exceso de tensión entre los electrodos del supercondensador solo puede ocurrir cuando el banco está conectado a una fuente de energía, en proceso de carga.And it is also clear to understand that a decompensation that may incur an excess voltage between the electrodes of the supercapacitor can only occur when the bank is connected to a power source, in the process of charging.
Durante la descarga la descompensación ciertamente ocurrirá, pero en ningún caso podrá dicha descompensación durante el proceso de descarga situar a cualquiera de las celdas que componen la misma en una condición que exceda los límites de trabajo. La tensión en bornes de cualquiera de los condensadores del banco siempre disminuirá (un condensador no puede cargar a otro cuando todos los condensadores del banco están dispuestos en serie).During the discharge the decompensation will certainly occur, but in no case can such decompensation during the discharge process place any of the cells that comprise it in a condition that exceeds the working limits. The terminal voltage of any of the bank capacitors always It will decrease (one capacitor cannot charge another when all the bank's capacitors are arranged in series).
Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un sistema de balanceo de condensadores que permite el balanceo de los condensadores, que evite la generación de corriente de fugas una vez alcanzado el balanceo y que pueda estar sometido a posibles descompensaciones, desarrollando un sistema de balanceo como el que a continuación se describe y queda recogido en su esencialidad en la reivindicación primera.Therefore, it is the object of the present invention to develop a capacitor balancing system that allows condenser balancing, which avoids the generation of leakage current once the balancing is reached and which may be subject to possible decompensations, developing a system balancing as described below and is reflected in its essentiality in the first claim.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
Es objeto de la presente invención un mecanismo de balanceo activo de condensadores durante el proceso de carga, es decir, que únicamente está activo durante la carga de los condensadores y una vez alcanzado el balanceo se procede a la desconexión del mecanismo de balanceo evitando la generación de corriente de fugas además de estar expuesto a posibles descompensaciones.The object of the present invention is an active capacitor balancing mechanism during the charging process, that is, it is only active during capacitor charging and once the balancing is reached, the balancing mechanism is disconnected avoiding generation of leakage current in addition to being exposed to possible decompensations.
Por lo tanto cuando el sistema no está en condiciones de carga, el mecanismo de balanceo queda desconectado, eliminando prácticamente por completo la corriente de fugas del sistema de balanceo, y por lo tanto, maximizando el tiempo que el banco de condensadores permanece cargado.Therefore, when the system is not in load conditions, the balancing mechanism is disconnected, virtually eliminating the leakage current from the balancing system, and therefore, maximizing the time that the capacitor bank remains charged.
Para poder emplear esta invención es necesario que el sistema tenga pueda conocer el estado de la fuente de energía del banco de condensadores, algo perfectamente asumible en un sistema con una fuente de alimentación, por ejemplo. El sistema además cuenta con procesador que una vez alcanzado la carga de los condensadores esté programado para proceder a la apertura de los interruptores de cada rama.To be able to use this invention it is necessary that the system has to know the state of the power source of the capacitor bank, something perfectly acceptable in a system with a power supply, for example. The system also has a processor that, once the capacitor charge has been reached, is programmed to proceed to the opening of the switches of each branch.
El mecanismo de balanceo puede realizar la desconexión mediante cualquier dispositivo de conmutación, como puede ser un mosfet, un transistor BJT, o incluso un optoacoplador.The balancing mechanism can perform the disconnection by any switching device, such as a mosfet, a BJT transistor, or even an optocoupler.
Al poderse desconectar el mecanismo de balanceo, éste puede ser un mecanismo simple, basado en resistencias o en diodos zeners, en lugar de uno más complejo, lo que supone una reducción de coste importante. When the balancing mechanism can be disconnected, this can be a simple mechanism, based on resistors or zener diodes, instead of a more complex one, which means a significant cost reduction.
El procedimiento de balanceo para el mecanismo de balanceo descrito comprende los pasos de:The balancing procedure for the described balancing mechanism comprises the steps of:
- conectar todos los interruptores montados en las ramas paralelas a cada condensador- connect all switches mounted on the parallel branches to each capacitor
- proceder a la carga de los condensadores de manera balanceada- proceed to charge the capacitors in a balanced way
- comprobar el estado de carga del banco de condensadores mediante, por ejemplo, una fuente de alimentación- check the state of charge of the capacitor bank using, for example, a power supply
- proceder de manera automática a la desconexión de los interruptores (MOSFET, optoacopladores) una vez alcanzado el balanceo.- proceed automatically to disconnect the switches (MOSFET, optocouplers) after balancing.
Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.Unless otherwise indicated, all technical and scientific elements used herein have the meaning normally understood by a person skilled in the art to which this invention pertains. In the practice of the present invention procedures and materials similar or equivalent to those described herein can be used.
A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra "comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.Throughout the description and the claims the word "comprises" and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and features of the invention will be apparent in part of the description and part of the practice of the invention.
EXPLICACION DE LAS FIGURASEXPLANATION OF THE FIGURES
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical implementation thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented.
En la figura 1, podemos observar un mecanismo de balanceo basado en empleo de un MOSFET como interruptor.In Figure 1, we can see a balancing mechanism based on the use of a MOSFET as a switch.
En la figura 2, podemos observar una segunda forma de realización que emplea como interruptor un optoacoplador en asociación con un diodo zener. In Figure 2, we can see a second embodiment that uses an optocoupler as a switch in association with a zener diode.
En la figura 3 se muestra una tercera realización en la que como interruptor se emplea un optoacoplador en asociación con una resistencia.A third embodiment is shown in Figure 3 in which an optocoupler is used as a switch in association with a resistor.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION.
A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta.In view of the figures, a preferred embodiment of the proposed invention is described below.
En la figura 1 podemos observar que el mecanismo de balanceo activo de condensadores se basa en la disposición en paralelo a cada condensador de un interruptor, en este cado un MOSFET dispuesto en serie con un diodo zener, quedando todas las ramas paralelos a los condensadores conectadas en serie.In Figure 1 we can see that the active capacitor balancing mechanism is based on the parallel arrangement of each switch capacitor, in this case a MOSFET arranged in series with a zener diode, all branches being parallel to the connected capacitors serially.
En la figura 2, que muestra una segunda forma de realización basado en los mismos principios, observamos que el interruptor empleado es un optoacoplador dispuesto en serie con un diodo (D1), quedando dotadas las ramas paralelas a los condensadores conectadas en serie.In Figure 2, which shows a second embodiment based on the same principles, we observe that the switch used is an optocoupler arranged in series with a diode (D1), with branches parallel to the capacitors connected in series.
En la figura 3, que muestra una realización alternativa a la mostrada en la figura 2, el mecanismo balanceador es una resistencia.In Figure 3, which shows an alternative embodiment to that shown in Figure 2, the balancing mechanism is a resistor.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental. Describing sufficiently the nature of the present invention, as well as the way of putting it into practice, it is noted that, within its essentiality, it may be implemented in other embodiments that differ in detail from that indicated by way of example. , and which will also achieve the protection sought, provided that it does not alter, change or modify its fundamental principle.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ES201830229A ES2724701A1 (en) | 2018-03-08 | 2018-03-08 | MECHANISM OF ACTIVE BALANCING OF CONDENSERS AND SUPERCONDENSERS DURING THE CHARGING PROCESS (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
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Publications (1)
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ES2724701A1 true ES2724701A1 (en) | 2019-09-13 |
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Country | Link |
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ES (1) | ES2724701A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2018
- 2018-03-08 ES ES201830229A patent/ES2724701A1/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2724701 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20190913 |
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FC2A | Grant refused |
Effective date: 20200910 |