ES2964525T3

ES2964525T3 - Circuito ecualizador activo, sistema de gestión de baterías, sistema de suministro de alimentación y equipo eléctrico

Info

Publication number: ES2964525T3
Application number: ES19919599T
Authority: ES
Inventors: Chunting Chris Mi; Panpan Hu; Yunlong Shang; Bing Han; Yuhong Fu; Xiaohong Hu; Dingguo Wu
Original assignee: San Diego State Univ; Hefei Gotion High Tech Power Energy Co Ltd; San Diego State University Research Foundation
Current assignee: San Diego State Univ; Hefei Gotion High Tech Power Energy Co Ltd; San Diego State University Research Foundation
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2024-04-08
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: WO2020186496A1; EP3944452A4; EP3944452A1; EP3944452C0; US20220416549A1; EP3944452B1

Abstract

En realizaciones de la presente descripción se proporcionan un circuito de ecualización activa, un sistema de gestión de batería, un sistema de fuente de alimentación y un dispositivo electrónico; el circuito de ecualización activa comprende: una pluralidad de transistores de conmutación, un transformador de accionamiento, un convertidor multipuerto, un convertidor reductor y un microcontrolador. Cada transistor de conmutación está acoplado en correspondencia uno a uno a una celda de batería en un paquete de baterías en conexión en serie; el convertidor multipuerto comprende un transformador de ecualización y un convertidor puente, estando cada devanado secundario del convertidor puente acoplado a una pluralidad de celdas de batería correspondientes; un terminal de entrada del convertidor reductor está acoplado a un terminal de salida del paquete de baterías en conexión en serie, y un terminal de salida del convertidor reductor está acoplado a un terminal de entrada del convertidor puente; el microcontrolador se utiliza para enviar una primera señal de control al convertidor reductor de manera que el convertidor reductor realiza una transformación de voltaje en la salida del paquete de baterías en conexión en serie, luego la envía al convertidor puente; y el microcontrolador se utiliza para enviar una segunda señal de control al convertidor puente para controlar el estado operativo del convertidor puente. Las realizaciones de la presente descripción pueden reducir los costos y el volumen de un circuito de ecualización activo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Circuito ecualizador activo, sistema de gestión de baterías, sistema de suministro de alimentación y equipo eléctrico

Campo técnico

[0001] La presente invención se refiere al campo técnico de la ecualización de baterías, en particular a un circuito ecualizador activo, a un sistema de gestión de baterías, a un sistema de suministro de alimentación y a un equipo eléctrico.

Antecedentes

[0002] Los conjuntos de batería, tales como los conjuntos de batería en serie, de iones de litio, se usan ampliamente en equipos eléctricos, tales como vehículos eléctricos, ordenadores portátiles y dispositivos médicos. Básicamente, es imposible que dos baterías sean idénticas, incluso si las mismas se fabrican en la misma línea de producción. Por lo tanto, existen siempre algunas diferencias entre las celdas de batería del conjunto de batería en términos de capacidad de la batería, resistencia interna y autodescarga, lo cual da como resultado una inconsistencia en los voltajes de las celdas de las baterías. Por ejemplo, en un conjunto de batería en serie, cuando el voltaje de una celda de la batería alcanza el voltaje de corte de descarga, queda imposibilitada la descarga del conjunto de batería en serie completo, aun cuando otras celdas de la batería puedan tener un voltaje suficiente. Por lo tanto, la inconsistencia de voltaje entre las celdas de la batería puede hacer que se reduzca seriamente la capacidad disponible y la vida útil en ciclos del conjunto de batería.

[0003] Para mejorar la capacidad disponible y la vida útil en ciclos del conjunto de batería, actualmente en la técnica existen dos tipos de circuito ecualizador. Entre ellos, el circuito ecualizador activo, con las ventajas de una velocidad de ecualización elevada y una eficiencia alta, se ha convertido en tendencia evolutiva. En general, los circuitos ecualizadores activos convencionales transfieren energía desde celdas de batería que tienen un voltaje superior a celdas de batería que tienen un voltaje inferior con condensadores, inductores, transformadores y combinaciones de los mismos. No obstante, los circuitos ecualizadores activos convencionales usan un número elevado de conmutadores de transistores de efecto de campo de tipo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) y controladores aislados. En general, el circuito ecualizador activo comprende por lo menos uno o más conmutadores MOSFET, uno o más controladores aislados y un devanado de transformador para cada celda de batería, dando como resultado un coste elevado y un volumen considerable del circuito ecualizador activo.

[0004] La memoria descriptiva de patente WO 2012/172468 A2 da a conocer una topología en la que cada par de celdas de una cadena comparte un inductor individual. Unos conmutadores permiten que el inductor individual cargue de manera selectiva una u otra de las celdas. En una variante de la topología, el inductor junto con conmutadores adicionales permiten cargar de forma selectiva múltiples celdas simultáneamente (incluso una o ambas celdas simultáneamente de un par de celdas), haciendo uso bien de una fuente de energía externa o bien de otra u otras celdas diversas de la cadena.

[0005] La memoria descriptiva de patente JP H08 214454 A da a conocer un aparato para cargar una batería de condensadores el cual tiene un transformador T1 que tiene una pluralidad de devanados secundarios, unos medios de conmutación SW1 que están conectados a un devanado primario n1 del transformador T1, una pluralidad de circuitos rectificadores CR1, CR2 y CR3 que están conectados, respectivamente, a los devanados secundarios n2, n3 y n4 del transformador, y un circuito de carga que conecta la salida de cada circuito rectificador a cada celda unitaria. La salida de potencia constante de cada uno de los devanados secundarios n2, n3 y n4 que se obtiene conmutando el devanado primario n1 del transformador T1 a través de los medios de conmutación SW1 se rectifica, y a continuación se carga una celda unitaria de cada una de las baterías de condensadores combinadas en serie C1, C2 y C3.

[0006] La memoria descriptiva de patente EP2916 424 A1 da a conocer un circuito (110) de ajuste de estados de almacenamiento que incluye una primera unidad de conmutación configurada para conmutar entre acumulación de energía en una primera bobina (L1) y liberación de energía desde la primera bobina a uno cualquiera de dispositivos de almacenamiento eléctrico (B1 ó B2) de un primer dispositivo de almacenamiento eléctrico ensamblado (disposición en serie de B1 y B2) que tiene una pluralidad de los dispositivos de almacenamiento eléctrico, una segunda unidad de conmutación configurada para conmutar entre acumulación de energía en una segunda bobina (L2) y liberación de energía desde la segunda bobina a uno cualquiera de los dispositivos de almacenamiento eléctrico (B3 ó B4) de un segundo dispositivo de almacenamiento eléctrico ensamblado (disposición en serie de B3 y B4) que tiene una pluralidad de los dispositivos de almacenamiento eléctrico, y una unidad (400) de cambio configurada para cambiar una diferencia de potencial entre ambos extremos de la primera bobina y una diferencia de potencial entre ambos extremos de la segunda bobina sobre la base de estados de almacenamiento del primer dispositivo de almacenamiento eléctrico ensamblado y del segundo dispositivo de almacenamiento eléctrico ensamblado, cuando se acumula energía en la primera bobina y la segunda bobina.

[0007] Por lo tanto, la reducción del coste y del volumen de los circuitos ecualizadores activos se ha convertido en un problema técnico urgente.

Sumario

[0008] Es un objetivo de la presente invención proporcionar un circuito ecualizador activo, un sistema de gestión de baterías, un sistema de suministro de alimentación y un equipo eléctrico, con el fin de reducir el coste y el volumen de los circuitos ecualizadores activos.

[0009] Para lograr el objetivo anterior, en uno de los aspectos, una de las realizaciones de la presente invención proporciona un circuito ecualizador activo según se define en la reivindicación independiente 1.

[0010] En otro aspecto, una de las realizaciones de la presente invención proporciona un sistema de gestión de baterías, que comprende el circuito ecualizador activo antes descrito.

[0011] En otro más de los aspectos, una de las realizaciones de la presente invención proporciona un sistema de suministro de alimentación que comprende un conjunto de batería en serie y un sistema de gestión de baterías que se ha descrito anteriormente.

[0012] En otro más de los aspectos, una de las realizaciones de la presente invención proporciona un equipo eléctrico que comprende el sistema de suministro de alimentación descrito anteriormente.

[0013] Según las realizaciones proporcionadas en la presente invención, en el circuito ecualizador activo de las realizaciones, cada celda de batería del conjunto de batería en serie requiere únicamente un transistor de conmutación, y el devanado secundario del transformador de ecualización se comparte entre una pluralidad de celdas de batería. Por lo tanto, comparativamente con los circuitos ecualizadores activos convencionales, el volumen del circuito y el coste del circuito ecualizador activo de las realizaciones se reducen de forma significativa. Adicionalmente, en el circuito ecualizador activo de las realizaciones de la presente invención, los transistores de conmutación se accionan de manera síncrona por parte del convertidor de puente del convertidor multipuerto, con lo cual se prescinde de la necesidad de proporcionar controladores aislados y fuentes de alimentación aisladas para múltiples transistores de conmutación y se reducen costes de manera adicional.

Breve descripción de los dibujos

[0014] Para ilustrar más claramente las realizaciones de la presente invención o la técnica anterior, a continuación se ofrecerá una breve descripción de los dibujos correspondientes a las realizaciones o la técnica anterior. Evidentemente, los dibujos que se describen a continuación se relacionan únicamente con algunas realizaciones de esta invención. Para aquellos con conocimientos habituales en la materia, a partir de estos dibujos se pueden deducir otros sin ningún esfuerzo inventivo. En los dibujos:

La figura 1 es un diagrama de un circuito esquemático que muestra un circuito ecualizador activo en algunas realizaciones de la presente invención;

La figura 2 es otro diagrama de un circuito esquemático que muestra un circuito ecualizador activo en algunas otras realizaciones de la presente invención;

La figura 3 es un diagrama de un circuito esquemático que muestra un circuito de accionamiento en una realización de la presente invención;

La figura 4a es un diagrama esquemático que muestra una ecualización mediante el convertidor multipuerto en un estado operativo I según una realización de la presente invención;

La figura 4b es un diagrama esquemático que muestra una ecualización mediante el convertidor multipuerto en un estado operativo II según una realización de la presente invención;

La figura 5a es un diagrama esquemático que muestra un accionamiento mediante el circuito de accionamiento en el estado operativo I según una realización de la presente invención;

La figura 5b es un diagrama esquemático que muestra un accionamiento mediante el circuito de accionamiento en el estado operativo II según una realización de la presente invención;

La figura 6 es un diagrama esquemático que muestra formas de onda de un voltaje de accionamiento, una corriente de accionamiento y una corriente de excitación del convertidor multipuerto según una realización de la presente invención; La figura 7 es un diagrama esquemático que muestra formas de onda de una corriente del lado primario y una corriente del lado secundario del convertidor multipuerto según una realización de la presente invención;

La figura 8a muestra el efecto de la ecualización del voltaje de celdas para las celdas de batería del conjunto de batería en serie según una realización de la presente invención;

La figura 8b muestra el efecto de la ecualización de la corriente de celdas para las celdas de batería del conjunto de batería en serie según una realización de la presente invención.

Descripción detallada

[0015] Para entender mejor la presente invención, se expondrá una descripción clara y completa de las realizaciones de la presente invención en referencia a los dibujos. Evidentemente, las realizaciones descritas son únicamente una parte de las realizaciones de la presente invención, y no la totalidad de ellas. Dentro del alcance de la presente invención se situará la totalidad del resto de realizaciones deducidas por personas versadas en la materia a partir de las realizaciones de la presente invención sin realizar esfuerzos inventivos.

[0016] El equipo eléctrico de una de las realizaciones de esta invención puede estar provisto de un sistema de suministro de alimentación. El sistema de suministro de alimentación puede incluir un conjunto de batería en serie y un sistema de gestión de baterías. El conjunto de batería en serie puede proporcionar al equipo eléctrico energía eléctrica con vistas a un funcionamiento normal. En algunas realizaciones ejemplificativas de la presente invención, el equipo eléctrico puede comprender, aunque sin carácter limitativo, un automóvil eléctrico, una motocicleta eléctrica, una bicicleta eléctrica, unhover boardeléctrico, un dispositivo médico, un dispositivo electrónico portátil y similares. Entre ellos, el dispositivo electrónico portátil puede ser, por ejemplo, un ordenador de tipo tableta, un ordenador portátil, un teléfono inteligente o un dispositivo ponible inteligente, o similares.

[0017] En una de las realizaciones de la presente invención, el sistema de suministro de alimentación puede proporcionarse dentro o fuera del equipo eléctrico. En una realización ejemplificativa de la presente invención, por ejemplo, el sistema de suministro de alimentación puede estar incorporado en un automóvil eléctrico para formar parte de este último. Como otro ejemplo, en otra realización ejemplificativa de esta invención, a un dispositivo médico se le puede conectar externamente una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) para formar un accesorio eléctrico del dispositivo médico.

[0018] En algunas realizaciones de la presente invención, la expresión "conjunto de batería en serie" se refiere a un conjunto de batería que está conectado de manera general en serie, es decir, no se limita a que todas las celdas de batería del conjunto de batería en serie estén conectadas en serie, y, por el contrario, una parte de las celdas de la batería puede estar conectada en paralelo o en una combinación de serie y paralelo. Adicionalmente, en algunas realizaciones de la presente invención, las celdas de batería del conjunto de batería en serie pueden ser, todas ellas, baterías recargables. La batería recargable puede ser, por ejemplo, una batería de níquel-cadmio, una batería de níquel-hidrógeno, una batería de iones de litio o una batería de plomo, etcétera.

[0019] En la realización de la presente invención, en general el sistema de gestión de baterías puede gestionar el conjunto de batería en serie para evitar condiciones anómalas en el conjunto de batería en serie tales como sobredescargas, sobrecargas, sobrecalentamientos, etcétera, con el fin de mejorar el rendimiento del conjunto de batería en serie. En algunas realizaciones de la presente invención, el sistema de gestión de baterías puede comprender un circuito ecualizador activo, que puede suprimir la inconsistencia entre las celdas de batería del conjunto de batería en serie dentro de un intervalo aceptable, con lo cual se garantiza que cada celda de batería permanezca en el mismo estado durante su uso normal, para mejorar la capacidad disponible y la vida útil en ciclos del conjunto de batería en serie.

[0020] Para reducir el coste y el volumen del circuito ecualizador activo, se aplican mejoras en el circuito ecualizador activo convencional de las realizaciones de esta invención. En algunas realizaciones de la presente invención, el circuito ecualizador activo mejorado puede comprender una pluralidad de transistores de conmutación (tales como Q1 a Q12 en la figura 1), un transformador de accionamiento (tal como T2 en la figura 1), un convertidor multipuerto (tal como el transformador de ecualización T1 y el convertidor de puente en la figura 1), un convertidor reductor y un microcontrolador.

[0021] En algunas realizaciones de la presente invención, la pluralidad de transistores de conmutación pueden estar acoplados a las celdas de batería del conjunto de batería en serie (tales como B1 a B12 en la figura 1)en una correspondencia de uno a uno, es decir, cada transistor de conmutación puede estar conectado en serie a un circuito de carga/descarga para que una celda de batería correspondiente controle que el mismo está activado/desactivado, de tal manera que cada celda de batería pueda requerir solamente un transistor de conmutación. En este caso, el número de los transistores de conmutación se puede determinar en función del número de las celdas de batería del conjunto de batería en serie (tales como B1 a B12 en la figura 1). Debe entenderse que el uso de un transistor MOS mejorado de canal N como transistor de conmutación en la figura 1 es simplemente un ejemplo y que, en otras realizaciones de esta invención, como transistor de conmutación también se pueden usar otros tipos de transistores MOS ó transistores bipolares de unión (BJT) en función de las necesidades prácticas.

[0022] En algunas realizaciones de la presente invención, el transformador de accionamiento (tal como T2 en la figura 1) puede comprender un primer devanado primario y una pluralidad de primeros devanados secundarios. Cada uno de los primeros devanados secundarios puede estar acoplado a un terminal de control (tal como los electrodos de puerta y fuente de Q1 a Q12 en la figura 1) de un transistor de conmutación correspondiente con una correspondencia de uno a uno a través de un circuito de accionamiento para accionar el transistor de conmutación correspondiente. De este modo, el transformador de accionamiento, tal como T2 en la figura 1, puede jugar su papel en la transformación y el aislamiento del voltaje.

[0023] En una realización ejemplificativa de la presente invención, la estructura del circuito de accionamiento se puede configurar, por ejemplo, según se muestra en la figura 3. En la figura 3, cada circuito de accionamiento puede comprender un triodo PNP (S1, S2), un diodo (D1, D2) y tres resistores (R11, R12, R13, R21, R22, R23). Cada circuito de accionamiento puede accionar el transistor de conmutación correspondiente cargando/descargando los condensadores de puerta y fuente de los conmutadores correspondientes. En otras realizaciones de la presente invención, se pueden usar otros circuitos de accionamiento en función de las necesidades prácticas, y la presente invención no tiene limitaciones en este aspecto.

[0024] En algunas realizaciones de la presente invención, el transformador de ecualización (tal como T1 en la figura 1) del convertidor multipuerto puede comprender un segundo devanado primario y una pluralidad de segundos devanados secundarios. Cada uno de los segundos devanados secundarios puede estar acoplado a una pluralidad de celdas de batería del conjunto de batería en serie, es decir, cada uno de los segundos devanados secundarios puede corresponderse con dos o más celdas de batería, por ejemplo, en la figura 1, cada uno de los segundos devanados secundarios puede estar acoplado a dos celdas de batería, en otras palabras, dos celdas de batería comparten un segundo devanado secundario. Así, comparativamente con el circuito ecualizador activo convencional, el número de devanados de transformador del circuito ecualizador activo de la realización de la presente invención se puede reducir significativamente, con lo cual se reduce de manera eficaz el volumen y coste del circuito ecualizador activo.

[0025] En algunas realizaciones de la presente invención, un terminal de entrada del convertidor reductor puede estar acoplado a un terminal de salida del conjunto de batería en serie, y un terminal de salida del convertidor reductor puede estar acoplado a un terminal de entrada del convertidor de puente, de manera que el convertidor reductor puede reducir un voltaje de salida del conjunto de batería en serie y a continuación introducirlo en el convertidor multipuerto. En una realización ejemplificativa de la presente invención, el convertidor reductor puede reducir el voltaje de salida del conjunto de batería en serie hasta situarlo dentro de un intervalo tolerable para la celda de batería, evitando que un sobrevoltaje dañe el conjunto de batería en serie. Debe entenderse que el convertidor reductor antes descrito no se limita a la estructura mostrada en la figura 1, y también se puede usar, según se requiera, un convertidor reductor con otras estructuras o un módulo de circuito con una función de conversión reductora, tal como un circuito reductor-elevador, y la presente invención no tiene limitaciones en este aspecto.

[0026] En algunas realizaciones de la presente invención, un terminal de salida del convertidor de puente puede estar acoplado, respectivamente, al primer devanado primario y al segundo devanado primario. De este modo, acoplando el terminal de salida del convertidor de puente al segundo devanado primario, la energía eléctrica adquirida por el convertidor reductor y proveniente del conjunto de batería en serie se puede suministrar a través del segundo devanado primario a las celdas de batería del conjunto de batería en serie que requieren una ecualización. Por otra parte, acoplando el terminal de salida del convertidor de puente al primer devanado primario, una pluralidad de transistores de conmutación (tales como Q1 a Q12 en la figura 1) se pueden accionar de forma síncrona y directa mediante un convertidor de puente con conversión de medio puente, multipuerto, con lo cual se prescinde de la necesidad de proporcionar controladores aislados y fuentes de alimentación aisladas a la pluralidad de transistores de conmutación, reduciendo de forma adicional los costes y simplificando el control.

[0027] En algunas realizaciones de la presente invención, el convertidor de puente del convertidor multipuerto puede ser un convertidor de medio puente según se ejemplifica en la figura 1 ó un convertidor de puente completo. No obstante, para aquellos versados en la materia, en función de las necesidades prácticas, como convertidor de puente también se pueden usar otros circuitos de rectificación y filtrado, y la presente invención no tiene limitaciones en este aspecto.

[0028] En algunas realizaciones de la presente invención, el microcontrolador puede dar salida, hacia el convertidor reductor, a una primera señal de control, tal como señales de modulación por anchura de pulsos (PWM) en estados complementarios según se muestra con PWM1+ y PWM1- en la figura 1, para controlar el convertidor reductor con el fin de transformar un voltaje de salida del conjunto de batería en serie y dar salida al voltaje de salida transformado hacia el convertidor de puente. El microcontrolador también puede dar salida, hacia el convertidor de puente, a una segunda señal de control, tal como señales de modulación por anchura de pulsos en estados complementarios según se muestra con PWM2+ y PWM2- en la figura 1, con el fin de controlar el estado operativo del convertidor de puente. En algunas realizaciones ejemplificativas, el microcontrolador puede comprender, aunque sin carácter limitativo, un ordenador en un solo chip, una unidad de microcontrolador (MCU), un procesador de señales digitales (DSP), un controlador lógico programable (PLC), y otros.

[0029] En las realizaciones anteriores de la presente invención, puede observarse que cada celda de batería del conjunto de batería en serie requiere únicamente un transistor de conmutación para controlar la activación/desactivación del circuito de carga/descarga, y cada uno de los segundos devanados secundarios está acoplado a la pluralidad correspondiente de celdas de batería del conjunto de batería en serie, es decir, la pluralidad de celdas de batería puede compartir un segundo devanado secundario. De este modo, comparativamente con el circuito ecualizador activo convencional, el número de transistores de conmutación y el número de devanados de transformador del circuito ecualizador activo en las realizaciones de la presente invención antes descritas se reducen notablemente, con lo cual se reduce de manera eficaz el volumen y coste del circuito ecualizador activo. Adicionalmente, en las realizaciones de la invención antes descritas, el terminal de salida del convertidor de puente puede estar acoplado, respectivamente, al primer devanado primario y a los segundos devanados primarios, de manera que los transistores de conmutación se pueden accionar de forma síncrona y directa mediante el convertidor de puente, con lo cual se prescinde de la necesidad de proporcionar controladores aislados y fuentes de alimentación aisladas para accionar los transistores de conmutación, que son necesarios en los circuitos ecualizadores activos convencionales, y de manera adicional se reducen los costes y se simplifica el control.

[0030] En algunas realizaciones de la presente invención, cada uno de los segundos devanados secundarios del convertidor multipuerto puede estar acoplado a un circuito de filtro correspondiente, por ejemplo, según se ilustra con el lado secundario del transformador de ecualización T1 en las figuras 4a y 4b, para convertir la corriente continua pulsátil a la que da salida el segundo devanado secundario en corriente continua. De manera similar, el terminal de salida del convertidor de puente del convertidor multipuerto está acoplado también a un circuito de filtro correspondiente, por ejemplo, según se ilustra con el lado primario del transformador de ecualización T1 en las figuras 4a y 4b, para convertir la corriente continua pulsátil a la que da salida el terminal de salida del convertidor de puente en corriente continua.

[0031] Para entenderlo más fácilmente, a continuación se describirá, en referencia a las figuras 1, 3, 4a, 4b, 5a y 5b, el principio de funcionamiento del circuito ecualizador activo en una realización de la presente invención.

[0032] El circuito ecualizador activo mostrado en la figura 1 tiene, en un ciclo de conmutación, dos estados operativos estables, es decir, el estado operativo I y el estado operativo II. Específicamente:

en el estado operativo I:

En referencia a las figuras 2 y 4a, cuando el transistor MOS superior Qh1 del convertidor de puente está activado y el transistor MOS inferior Qh2 está desactivado, los extremos homónimos del transformador de ecualización T1 y el transformador de accionamiento T2 son positivos, los triodos S1, S3, ..., S11 conectados a los transistores de conmutación MOSFET de numeración impar Q1, Q3, ..., Q11 correspondientes al conjunto de batería en serie se controlan de manera que se activen, y los triodos S2, S4, ..., S12 conectados a los transistores de conmutación MOSFET de numeración par Q2, Q4, ..., Q12 correspondientes al conjunto de batería en serie se controlan de manera que se desactiven. Por consiguiente, según se muestra en la figura 5a, los primeros devanados secundarios de numeración impar del transformador de accionamiento T2 cargan los condensadores de puerta-fuente de los transistores de conmutación MOSFET de numeración impar Q1, Q3, ..., Q11 por medio de los diodos D1, D3, ..., D11, y, mientras tanto, los condensadores de puerta-fuente de los transistores de conmutación MOSFET de numeración par Q2, Q4, ..., Q12 se descargan por medio de los triodos S2, S4, ..., S12. Por lo tanto, los transistores de conmutación MOSFET de numeración impar Q1, Q3, ..., Q11 se activan y los transistores de conmutación MOSFET de numeración par Q2, Q4, ..., Q12 se desactivan. De este modo, se produce una transferencia de energía desde el condensador superior Ch1 del convertidor de puente a las celdas de batería de numeración impar B1, B3, ..., B11 basándose en una conversión directa. Adicionalmente, la corriente de ecualización está relacionada con el voltaje de la celda de batería, cuanto mayor sea el voltaje de la celda de batería, menor será la corriente de ecualización, incluso negativa, y cuanto menor sea el voltaje de la celda de batería, mayor será la corriente de ecualización, por lo que se puede materializar la ecualización automática de las celdas de batería de numeración impar.

en el estado operativo II:

En referencia a las figuras 1 y 4b, cuando el transistor MOS inferior Qh2 del convertidor de puente está activado y el transistor MOS superior Qh1 está desactivado, los extremos homónimos del transformador de ecualización T1 y el transformador de accionamiento T2 son negativos, y sus otros extremos son positivos. Los triodos S2, S4, ..., S12 conectados a los transistores de conmutación MOSFET de numeración par Q2, Q4, ..., Q12 correspondientes al conjunto de batería en serie se controlan de manera que se activan, y los triodos S1, S3, ..., S11 conectados a los transistores de conmutación MOSFET de numeración impar Q1, Q3, ..., Q11 correspondientes al conjunto de batería en serie se controlan de manera que se desactivan. Por consiguiente, según se muestra en la figura 5b, los primeros devanados secundarios de numeración par del transformador de accionamiento T2 cargan los condensadores de puerta-puente de los transistores de conmutación MOSFET de numeración par Q2, Q4, ..., Q12 por medio de los diodos D2, D4, ..., D12, y mientras tanto los condensadores de puerta-fuente de los transistores de conmutación MOSFET de numeración impar Q1, Q3, ..., Q11 se descargan por medio de los triodos S1, S3, ..., S11. Por lo tanto, los transistores de conmutación MOSFET de numeración par Q2, Q4, ..., Q12 se activan y los transistores de conmutación MOSFET de numeración impar Q1, Q3, ..., Q11 se desactivan. De este modo, la transferencia de energía desde el condensador inferior Ch2 del convertidor de puente a las celdas de batería de numeración par B2, B4, B12 se materializa basándose en la conversión directa, con lo que se puede materializar la ecualización automática de las celdas de batería de numeración par.

[0033] Puesto que los voltajes en los condensadores superior e inferior del convertidor de puente son iguales, se logra una ecualización activa entre las celdas de batería de numeración par y de numeración impar a través de la alternancia de los dos estados.

[0034] En algunas realizaciones de la presente invención, según se muestra en la figura 2, el circuito ecualizador activo puede comprender además un circuito de detección de voltaje multicanal que puede estar configurado para detectar el voltaje de batería correspondiente a cada celda de batería del conjunto de batería en serie. De manera correspondiente, el microcontrolador está configurado además para determinar la diferencia de voltaje entre las celdas de batería sobre la base del voltaje de batería, y ajustar la primera señal de control de salida en función de la diferencia de voltaje, con el fin de ajustar correspondientemente el ciclo de trabajo del convertidor reductor.

[0035] Cuando la diferencia de voltaje entre las celdas de batería es grande, la primera señal de control de salida se puede ajustar apropiadamente para aumentar el ciclo de trabajo del convertidor reductor, con el fin de aumentar la corriente de ecualización, con lo cual se consigue mejorar la velocidad de ecualización y la eficiencia de manera eficaz. Cuando la diferencia de voltaje entre las celdas de batería es pequeña, la primera señal de control de salida se puede ajustar apropiadamente para reducir el ciclo de trabajo del convertidor reductor, con el fin de reducir la corriente de ecualización, con lo cual se logra una ecualización más precisa entre las celdas de batería y se prolonga la vida útil en ciclos del conjunto de batería en serie.

[0036] Puede observarse que la diferencia de voltaje entre las celdas de batería presenta una correlación positiva con el ciclo de trabajo del convertidor reductor, y una correlación inversa con la corriente de ecualización. Cuando la corriente de ecualización se reduce a cero o cerca de cero, esto indica que no hay diferencia de voltaje entre las celdas de batería o que la diferencia de voltaje se aproxima a cero, y que se logra la ecualización activa de todas las celdas de batería del conjunto de batería en serie. Adicionalmente, en algunas realizaciones de la presente invención, la magnitud de la corriente de ecualización se ajusta controlando el ciclo de trabajo del convertidor reductor, lo cual sirve también para adaptarse a diferentes sistemas de suministro de alimentación.

[0037] Como realización ejemplificativa de esta invención, la figura 6 muestra esquemáticamente formas de onda del voltaje de accionamiento, la corriente de accionamiento y la corriente de excitación del convertidor multipuerto trabajando a 10 kHz. Puede observarse que el voltaje de accionamiento de los transistores de conmutación MOSFEt de numeración impar varía siguiendo el cambio del voltaje alterno del convertidor de puente del convertidor multipuerto. Debido a la inductancia de fuga del transformador de accionamiento T2 y a la influencia del resistor limitador de corriente (por ejemplo R11), el voltaje de accionamiento está atrasado ligeramente con respecto al voltaje de AC.

[0038] La corriente de carga para el condensador de puerta-fuente del MOSFET se sitúa en un pico de 0.24 A cuando el voltaje de AC realiza una transición de negativo a positivo. La corriente de descarga del condensador de puerta-fuente del MOSFET se sitúa en un pico de 0.4 A cuando el voltaje de AC realiza una transición de positivo a negativo, debido a un cortocircuito directo del condensador de puerta-fuente. Aquí, la corriente de excitación es aproximadamente una forma de onda triangular. No obstante, debido a la carga del condensador de puerta-fuente del MOSFET, cuando se produce la transición del voltaje de AC un pico de 0.2 A se superpone sobre la forma de onda de la corriente de excitación.

[0039] Como realización ejemplificativa de esta invención, la figura 7 muestra formas de onda de corrientes de ecualización en el lado primario y el lado secundario del convertidor multipuerto trabajando a 10 kHz. Puede observarse que, puesto que la ecualización se basa principalmente en una conversión directa, la corriente de ecualización aumenta casi exponencialmente a partir de cero en cada semiciclo de conmutación debido a la influencia de la inductancia de fuga y la resistencia equivalente. Se miden la corriente de pico en el lado primario y la corriente de pico en el lado secundario obteniéndose, respectivamente, 0.7 A y 2.56 A.

[0040] Como realización ejemplificativa de esta invención, las figuras 8a y 8b muestran el resultado de la ecualización para 12 celdas de batería del conjunto de batería en serie mostrado en la figura 1. Según se muestra en la figura 8a, los voltajes de todas las celdas de batería se ecualizan simultáneamente hacia un valor promedio. El circuito ecualizador descarga las celdas de batería con un voltaje superior y carga las celdas de batería con un voltaje inferior. Según se muestra en la figura 8b, la corriente de ecualización de las celdas de batería presenta la misma tendencia de cambio. Puede observarse que la corriente de ecualización de las celdas de batería depende del voltaje de las celdas de batería. Al iniciarse la ecualización, la corriente de ecualización máxima de las celdas de batería es 1.3 A y la corriente de ecualización total de las 12 celdas de batería es 6 A. Aproximadamente 800 segundos más tarde, los voltajes de todas las celdas de batería se ecualizan a 3 V.

[0041] Para facilitar la descripción, los dispositivos antes descritos se han separado en varias unidades según la funcionalidad. No obstante, cuando se implemente la presente invención las funciones de las diversas unidades se pueden materializar en uno o más elementos dehardware.

[0042] En esta invención, las realizaciones se describen de manera progresiva, poniendo el foco en las diferencias con respecto a otras realizaciones. Para partes que son iguales o similares entre las diversas realizaciones, se remite a la que corresponda en cada caso.

Claims

REIVINDICACIONES

i.Circuito ecualizador activo que comprende:

una pluralidad de transistores de conmutación (Q<1>~Q<12>) acoplados respectivamente a celdas de batería de un conjunto de batería en serie (B<1>~B<12>) con una correspondencia de uno a uno, y configurados para controlar la activación/desactivación de un circuito de carga/descarga para las celdas de batería respectivas;

un transformador de accionamiento (T<2>) que comprende un primer devanado primario y una pluralidad de primeros devanados secundarios, estando acoplado cada uno de los primeros devanados secundarios a un terminal de control de un transistor de conmutación (Q<1>~Q<12>) correspondiente con una correspondencia de uno a uno a través de un circuito de accionamiento;

un convertidor multipuerto que comprende un transformador de ecualización (T<1>) y un convertidor de puente, en donde el transformador de ecualización (T<1>) comprende un segundo devanado primario y una pluralidad de segundos devanados secundarios, estando acoplados terminales de salida del convertidor de puente respectivamente al primer devanado primario y a los segundos devanados primarios, y cada uno de los segundos devanados secundarios está acoplado a una pluralidad correspondiente de celdas de batería del conjunto de batería en serie (B<1>~B<12>);

caracterizado por que comprende además

un convertidor reductor que tiene terminales de entrada acoplados a terminales de salida del conjunto de batería en serie (B<1>~B<12>) y terminales de salida acoplados a terminales de entrada del convertidor de puente;

un microcontrolador configurado para dar salida a una primera señal de control hacia el convertidor reductor, con el fin de hacer que el convertidor reductor transforme un voltaje de salida del conjunto de batería en serie (B<1>~B<12>) y dé salida al voltaje de salida transformado hacia el convertidor de puente, y configurado para dar salida a una segunda señal de control hacia el convertidor de puente, con el fin de controlar un estado operativo del convertidor de puente, y en donde

el convertidor de puente comprende un primer condensador (Cb<2>), un segundo condensador (Ch<1>), un tercer condensador (Ch<2>) y dos transistores de efecto de campo (Qh<1>, Qh<2>), en donde el primer condensador (Cb<2>) está acoplado entre los terminales de salida del convertidor reductor en los terminales de entrada del convertidor de puente, el segundo condensador (Ch<1>) y el tercer condensador (Ch<2>) están conectados en serie entre los terminales del primer condensador (Cb<2>), y los dos transistores de efecto de campo (Qh<1>, Qh<2>) están conectados en serie entre los terminales del primer condensador (Cb<2>), en donde el nodo entre los dos transistores de efecto de campo (Qh<1>, Qh<2>) y el nodo entre el segundo y tercer condensadores (Ch<1>, Ch<2>) forman los terminales de salida del convertidor de puente.
2. Circuito ecualizador activo según la reivindicación 1, en el que comprende además:

un circuito de detección de voltaje multicanal configurado para detectar un voltaje de batería de cada una de las celdas de batería del conjunto de batería en serie (B<1>~B<12>),

en donde el microcontrolador está configurado además para determinar una diferencia de voltaje entre las celdas de batería sobre la base del voltaje de batería, y ajustar la primera señal de control en función de la diferencia de voltaje, con el fin de ajustar un ciclo de trabajo del convertidor reductor, preferentemente en donde la diferencia de voltaje presenta una correlación positiva con el ciclo de trabajo.
3. Circuito ecualizador activo según la reivindicación 1, en el que cada uno de los segundos devanados secundarios está acoplado a un circuito de filtro correspondiente, o

el terminal de salida del convertidor de puente está acoplado a un circuito de filtro correspondiente.
4. Circuito ecualizador activo según la reivindicación 1, en el que el convertidor de puente comprende un convertidor de medio puente.
5. Circuito ecualizador activo según la reivindicación 1, en el que cada uno de los segundos devanados secundarios está acoplado a dos celdas de batería correspondientes del conjunto de batería en serie (B<1>~ B<12>).
6. Sistema de gestión de baterías que comprende un circuito ecualizador activo según la reivindicación 1.
7. Sistema de gestión de baterías según la reivindicación 6, en el que el circuito ecualizador activo comprende además:

un circuito de detección de voltaje multicanal configurado para detectar un voltaje de batería de cada una de las celdas de batería del conjunto de batería en serie (B<1>~B<12>), respectivamente;

en donde el microcontrolador está configurado además para determinar una diferencia de voltaje entre las celdas de batería sobre la base del voltaje de batería, y ajustar la primera señal de control en función de la diferencia de voltaje con el fin de ajustar un ciclo de trabajo del convertidor reductor, preferentemente en donde la diferencia de voltaje presenta una correlación positiva con el ciclo de trabajo.
8. Sistema de gestión de baterías según la reivindicación 6, en el que cada uno de los segundos devanados secundarios está acoplado a un circuito de filtro correspondiente, o

el terminal de salida del convertidor de puente está acoplado a un circuito de filtro correspondiente.
9. Sistema de gestión de baterías según la reivindicación 6, en el que el convertidor de puente comprende un convertidor de medio puente.
10. Sistema de gestión de baterías según la reivindicación 6, en el que cada uno de los segundos devanados secundarios está acoplado a dos celdas de batería correspondientes del conjunto de batería en serie (B1 ~ B12).
11. Sistema de suministro de alimentación que comprende un conjunto de batería en serie (B<1>~ B<12>) y un sistema de gestión de baterías, en donde el sistema de gestión de baterías comprende un circuito ecualizador activo según la reivindicación 1.
12. Sistema de suministro de alimentación según la reivindicación 11, en el que el circuito ecualizador activo comprende además:

un circuito de detección de voltaje multicanal configurado para detectar un voltaje de batería de cada una de las celdas de batería del conjunto de batería en serie (B<1>~B<12>);

el microcontrolador está configurado además para determinar una diferencia de voltaje entre las celdas de batería sobre la base del voltaje de batería, y ajustar la primera señal de control en función de la diferencia de voltaje, con el fin de ajustar un ciclo de trabajo del convertidor reductor, preferentemente en donde la diferencia de voltaje presenta una correlación positiva con el ciclo de trabajo.
13. Sistema de suministro de alimentación según la reivindicación 11, en el que cada uno de los segundos devanados secundarios está acoplado a un circuito de filtro correspondiente, o

el terminal de salida del convertidor de puente está acoplado a un circuito de filtro correspondiente.
14. Sistema de suministro de alimentación según la reivindicación 11, en el que el convertidor de puente comprende un convertidor de medio puente, o

cada uno de los segundos devanados secundarios está acoplado a dos celdas de batería correspondientes del conjunto de batería en serie (B<1>~ B<12>).
15. Equipo eléctrico provisto del sistema de suministro de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14.