ES3033940T3

ES3033940T3 - Smart energy storage cell and control method therefor

Info

Publication number: ES3033940T3
Application number: ES18703838T
Authority: ES
Inventors: Damien Frost; David Howey
Original assignee: Oxford University Innovation Ltd
Current assignee: Oxford University Innovation Ltd
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2025-08-11
Anticipated expiration: 2038-02-01
Also published as: WO2018142139A1; GB201701751D0; CN110462966A; EP3577739A1; EP3577739B1; CN110462966B; US11616377B2; US20200235439A1; EP3577739C0; PL3577739T3

Abstract

Una celda inteligente comprende: un terminal positivo; un terminal negativo; un circuito de conmutación configurado para seleccionar entre un primer estado de conmutación con un dispositivo de almacenamiento de energía conectado entre ambos terminales, y un segundo estado de conmutación que lo deriva; un inductor dispuesto entre el terminal positivo y la salida de la red de conmutación; y un controlador configurado para monitorizar la tensión en el inductor y para controlar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación en función de las magnitudes de los cambios de tensión detectados en el inductor. Al monitorizar y analizar la magnitud de los cambios de tensión en el inductor, el controlador determina los estados de carga de otras celdas inteligentes conectadas en serie sin necesidad de comunicación entre ellas. Ninguna de las celdas inteligentes necesita transmitir información sobre sus estados de carga a las demás celdas inteligentes de la cadena, ya que cada celda puede detectar información sobre las demás celdas a partir de los cambios de tensión en el inductor. Al analizar la tensión en el inductor de detección local, se puede obtener el estado de carga promedio de una cadena de celdas inteligentes en serie y compararlo con el estado de carga de la celda inteligente local para determinar cómo se debe modificar su ciclo de trabajo para sincronizar su estado de carga con la cadena en serie. La magnitud del cambio de tensión en el inductor está relacionada con el estado de carga de la celda que acaba de conectar o desconectar la cadena. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Celda inteligente de almacenamiento de energía y procedimiento de control para la misma

La invención se refiere a celdas inteligentes y procedimientos y sistemas de control para dichas celdas.

La electrónica de energía está desempeñando un papel clave en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero a través de la integración de tecnologías de energía verde con la red. Un área de mayor penetración de la electrónica de energía son los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, como los paquetes de baterías de iones de litio, donde el mercado está creciendo muy rápidamente a medida que disminuyen los costos. Esta rápida adopción del almacenamiento de energía conectada a la red requiere convertidores electrónicos de energía y sistemas de gestión de energía del estado de la técnica. Además, dado que el dispositivo de almacenamiento de energía (baterías, por ejemplo) es el componente más caro, la electrónica de energía debe diseñarse para maximizar el rendimiento y la vida útil al tiempo que se garantiza la seguridad. En el peor de los casos, una cadena de baterías en serie no administrada estará limitada por la celda más débil, por lo que una sola celda fallida puede hacer que toda la cadena sea inútil.

Junto a esto, muchas empresas que venden vehículos eléctricos (VE) y vehículos eléctricos híbridos (VEH) están investigando formas innovadoras de manejar la afluencia de desechos de baterías de estos vehículos. Se considera que la batería de un VE o VEH está al final de su (primera) vida útil si su estado de salud (EDS), generalmente medido en términos de capacidad nominal, cae a alrededor del 70 %-80 % de su valor original. Aunque en este punto el paquete de baterías puede considerarse inútil para aplicaciones portátiles, todavía contiene mucho valor residual para aplicaciones de almacenamiento de energía estacionaria.

En los sistemas de almacenamiento de energía que utilizan celdas electroquímicas, el rendimiento del paquete a largo plazo se puede mejorar en gran medida mediante la gestión activa de la energía a nivel de celda individual, colocando un convertidor de energía individual y un sistema de gestión de batería en cada celda. Los recientes avances en los dispositivos de conmutación de banda ancha, cuyo costo se espera que disminuya con el tiempo, aumentarán la eficiencia de la conversión (y reducirán las pérdidas de energía) y reducirán los costos generales del sistema a través de una mayor densidad de energía y una disminución de los requisitos de enfriamiento.

Para ciertas químicas de celda, la monitorización de celdas individuales es necesaria, y el equilibrio activo de celdas mejora el rendimiento. Por ejemplo, la tecnología de baterías de iones de litio no es segura si está sobrecargada, ya que las celdas pueden explotar o romperse. Por lo tanto, para maximizar el potencial de almacenamiento de energía de varias celdas conectadas en serie y/o en paralelo, especialmente celdas de diferentes capacidades e historiales de uso, se debe medir y equilibrar el estado de carga (EDC) de las celdas individuales en un paquete de baterías.

Las baterías (u otros dispositivos de almacenamiento de energía) que incorporan un elemento de control o gestión de la carga y/o descarga del dispositivo de almacenamiento de energía pueden denominarse celdas inteligentes. El dispositivo de almacenamiento de energía puede incluir cualquiera de las baterías (particularmente baterías recargables), condensadores, supercondensadores, etc. Una celda puede incluir un paquete pequeño o un subpaquete de dispositivos de almacenamiento. El nivel de granularidad es ajustable por el diseñador.

Los sistemas de gestión de baterías (SGB) (una forma típica de control de celdas inteligentes) se utilizan en todos los paquetes de baterías modernos para garantizar que las celdas que componen el paquete funcionen dentro de sus límites de seguridad. A medida que el paquete de baterías envejece, la capacidad de cada celda cambia con el tiempo de manera no uniforme y el estado de carga de las celdas individuales comienza a desviarse entre sí. Para evitar esta desviación, el SGB equilibrará el estado de carga de cada celda individual, generalmente a través de un medio disipativo. Por ejemplo, durante la fase de carga, las celdas que alcanzan su voltaje máximo antes que otras se conectarán a una resistencia de descarga hasta que todas las celdas del paquete estén completamente cargadas. Este procedimiento de balanceo de celdas funciona bien para paquetes de baterías bien emparejados, sin embargo, cuando las celdas de diferentes capacidades están conectadas entre sí, es muy ineficiente y lento.

Una topología de convertidor multinivel modular es esencialmente una serie de dispositivos de almacenamiento de energía, cada uno de los cuales puede conectarse en línea (es decir, para suministrar energía o recibir energía) o desviarse (es decir, no suministrar ni recibir energía). Dichas disposiciones se utilizan típicamente para la conversión de voltaje de CC a CA, donde cada módulo incluye un condensador. Al controlar cuántos (y qué) condensadores en la cadena se conectan en serie, el voltaje de salida de un nodo en la cadena se puede variar para producir la forma de onda deseada (por ejemplo, una forma de onda de CA sinusoidal). Un convertidor modular multinivel se describe en el documento "Novel MMC control for active balancing and minimum ripple current in series-connected battery strings" - Damien Frost y col., 2015 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-EUROPE), propiedad conjunta de EPE Association e IEEE PELS, 8 de septiembre de 2015, págs. 1-10, XP032800192, DOI: 10.1109/EPE.2015.7309236. Cada celda del convertidor modular multinivel es capaz de determinar sus propias temporizaciones de conmutación de forma autónoma utilizando las temporizaciones de conmutación de las otras celdas inteligentes, que se conocen a partir de la temporización de los cambios en el voltaje a través de un pequeño inductor de filtro.

La invención se refiere a una celda inteligente según la reivindicación 1 y a un procedimiento para controlar una celda inteligente según la reivindicación 12. Se definen realizaciones preferidas de la invención en las reivindicaciones dependientes.

Según un primer aspecto, se proporciona una celda inteligente, comprendiendo: un terminal positivo; un terminal negativo; un circuito de conmutación que está dispuesto para seleccionar entre un primer estado de conmutación donde un dispositivo de almacenamiento de energía está conectado entre el terminal positivo y el terminal negativo y un segundo estado de conmutación que se desvía de dicho dispositivo de almacenamiento de energía; un inductor proporcionado entre el terminal positivo y el terminal negativo; y un controlador dispuesto para supervisar el voltaje a través del inductor y dispuesto para controlar un ciclo de trabajo del circuito de conmutación según las magnitudes de los cambios de voltaje detectados a través del inductor.

Al monitorear y analizar la magnitud de los cambios de voltaje en el inductor, el controlador puede determinar los estados de carga de otras celdas inteligentes conectadas en serie sin ninguna comunicación entre las celdas. En otras palabras, ninguna de las celdas inteligentes de una cadena de celdas inteligentes conectadas en serie necesita transmitir información sobre sus estados de carga a otras celdas inteligentes de la cadena, ya que cada celda puede detectar información sobre las otras celdas a partir de los cambios de voltaje en el inductor. Al analizar el voltaje a través del inductor de detección local, se puede obtener el estado de carga promedio de una serie de celdas inteligentes. Esto se puede comparar con el estado de carga de la celda inteligente local para determinar cómo se debe modificar el ciclo de trabajo de la celda inteligente local para sincronizar su estado de carga con la cadena en serie. En particular, se ha reconocido que la magnitud del cambio de voltaje a través del inductor está relacionada con el estado de carga de la celda que acaba de entrar o salir de la cadena (causando así el cambio de voltaje).

Preferentemente, los cambios de voltaje se monitorean y miden en una ventana de tiempo. La ventana de tiempo es preferentemente al menos un ciclo de conmutación, aunque se puede usar cualquier ventana de tiempo adecuada. Por ejemplo, se puede utilizar un tiempo más largo, como una pluralidad de ciclos de conmutación, para garantizar que todas las demás celdas se hayan conmutado al menos una vez o, de hecho, más de una vez dentro de la ventana de tiempo. Preferentemente, todas las celdas en una cadena están programadas para tener la misma frecuencia de conmutación. En la práctica, sus frecuencias de conmutación pueden ser ligeramente diferentes, pero generalmente están lo suficientemente cerca como para que todas puedan detectar cada evento de conmutación dentro de una sola ventana del ciclo de conmutación.

El controlador puede controlar el ciclo de trabajo según las magnitudes de los cambios de voltaje solo. Sin embargo, en algunas realizaciones, el controlador puede estar dispuesto para controlar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación según las magnitudes de los cambios de voltaje detectados en el inductor y un valor representativo de un estado de carga actual del dispositivo de almacenamiento de energía. Ese valor puede almacenarse en una memoria (por ejemplo, memoria volátil, como RAM, o memoria persistente, como almacenamiento flash), o puede medirse directamente desde el dispositivo de almacenamiento de energía. Se apreciará que dicho cambio de voltaje a través del inductor corresponderá a la conmutación del propio circuito de conmutación de la celda inteligente y, por lo tanto, proporciona una medición del estado de carga actual del dispositivo de almacenamiento de energía de la celda inteligente. Esta medición se puede utilizar para comparar el estado de carga del dispositivo de almacenamiento de energía de la celda inteligente con los estados de carga de otras celdas inteligentes conectadas.

En uso, la celda inteligente puede estar dispuesta para ser conectada en serie o en paralelo con al menos un dispositivo de almacenamiento de energía. El controlador puede disponerse para calcular un valor representativo del estado de carga promedio de todos los dispositivos de almacenamiento de energía conectados en serie o en paralelo con la celda inteligente. Se apreciará que el controlador puede calcular este promedio para todas las demás celdas en la cadena conectada en serie (es decir, excluyendo su propia celda), o puede calcular el promedio para todas las celdas en la cadena conectada en serie (es decir, incluyendo su propia celda).

Por lo tanto, se apreciará que en algunas realizaciones preferidas de la invención el valor representativo del estado de carga promedio es la magnitud promedio de los cambios de voltaje detectados en el inductor, o un valor basado en dicho promedio.

Como parte del procedimiento de promediado, el controlador puede contar el número de celdas conectadas en serie en la cadena. Esto puede lograrse de cualquier manera adecuada, pero por ejemplo puede ser contando sobre una ventana de tiempo particular, o buscando un patrón de repetición, o contando magnitudes únicas, o contando el número de eventos de conmutación, etc. Por ejemplo, como cada celda debe entrar y salir del circuito en cada ciclo, contar el número de eventos de conmutación y dividir por 2 da el número de celdas en la cadena.

El controlador puede controlar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación según cualquier objetivo deseado, por ejemplo, para lograr una distribución deseada del uso de la celda. Sin embargo, en algunas realizaciones preferidas, el controlador está dispuesto para controlar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación para sincronizar el estado de carga del dispositivo de almacenamiento de energía con el estado de carga promedio calculado. Al sincronizar el estado de carga con el estado de carga promedio, el estado de carga de la celda se puede alinear con todos los demás estados de carga de las celdas, de modo que todas las celdas se carguen y/o descarguen a la misma velocidad. Como se describió anteriormente, esto es particularmente beneficioso cuando las celdas de la cadena pueden tener diferentes capacidades, ya que evita que las celdas individuales se agoten mucho antes que las otras celdas y, por lo tanto, reduce la eficacia de la cadena de celdas como un todo.

Al controlar cada celda para sincronizar su estado de carga con un estado de carga promedio en la cadena, cada celda termina cargando y/o descargando proporcionalmente a su capacidad, es decir, las celdas con mayores capacidades se usarán más que las celdas con menores capacidades. Al usar cada celda en proporción a su capacidad, las celdas más débiles se usan menos y las más fuertes se usan más. Esto evita el problema de que la celda más débil de la cadena falle y haga que toda la cadena quede inoperativa. En cambio, todas las celdas deben alcanzar su carga máxima individual y/o descarga máxima aproximadamente al mismo tiempo, maximizando el uso general de todas las celdas y extendiendo la vida útil de cada celda individual.

En investigaciones anteriores, el ciclo de trabajo de las celdas se ha determinado comparando la capacidad de la celda de la batería con una capacidad máxima dada que se encontraría en el sistema. Esta capacidad máxima tenía que ser preestablecida por el diseñador del sistema, o programada en el sistema en cualquier momento (por ejemplo, actualizada a medida que se añadían y/o retiraban las baterías). Por el contrario, con la presente disposición no se requiere dicha entrada o programación externa. En cambio, cada celda detecta las otras celdas del sistema y se autorregula para sincronizar su estado de carga con las demás.

El ciclo de trabajo de la celda puede ajustarse para hacer que el estado de carga del dispositivo de almacenamiento de energía comience a alinearse con el promedio. Por ejemplo, durante la descarga: si el estado de carga está por encima del promedio, a continuación, el ciclo de trabajo se incrementa para extraer más energía de la celda hasta que su estado de carga haya alcanzado el estado de carga promedio. Del mismo modo, si el estado de carga de la celda está por debajo del promedio, a continuación, el ciclo de trabajo se reduce para reducir el consumo de energía de la celda hasta que el estado de carga promedio se haya reducido al mismo nivel. Se puede aplicar un enfoque similar para un régimen de carga. La cantidad de ajuste del ciclo de trabajo puede estar relacionada con la diferencia entre el estado de carga actual y el estado de carga promedio. Se apreciará que pueden usarse diferentes algoritmos para sincronizar el estado de carga. Por ejemplo, en un extremo, el ciclo de trabajo podría establecerse en cero o en el máximo para alinear el estado de carga con el promedio en el menor tiempo posible. Sin embargo, para evitar tales extremos del ciclo de trabajo, los ajustes pueden ser más pequeños y diseñados simplemente para mover el estado de carga hacia el estado de carga promedio deseado a una velocidad constante o a una velocidad exponencialmente decreciente. En otros ejemplos, el ciclo de trabajo puede ajustarse de una manera críticamente amortiguada para minimizar el tiempo de sincronización, pero sin riesgo de oscilaciones.

En otros ejemplos, el controlador puede controlar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación con un controlador proporcional-integral. El controlador PI puede alinear el estado de carga con un estado de carga promedio en constante cambio (ya que las otras celdas de la cadena ajustan la carga o agotan o ajustan sus propios ciclos de trabajo).

Como cada celda de una cadena se controla de forma independiente y ajusta de forma independiente sus propios tiempos de conmutación, dos (o más) celdas pueden sincronizar con el tiempo tanto sus ciclos de trabajo como sus fases. En tales circunstancias, dos (o más) celdas pueden encenderse y apagarse al mismo tiempo. Esto significa que los cambios de voltaje detectados en el inductor no se pueden separar fácilmente en mediciones de celdas individuales y, por lo tanto, una celda no puede calcular con precisión el estado de carga promedio. Por lo tanto, la celda no puede determinar con precisión cómo ajustar su propio ciclo de trabajo. Cuando dos celdas están completamente en fase, la situación podría resolverse determinando que la magnitud es demasiado grande para ser la de una celda (y, por lo tanto, puede dividirse en dos celdas). Sin embargo, también surge una situación similar donde una celda se enciende al mismo tiempo que otra celda se apaga. Este es un problema más difícil de resolver, ya que puede no haber un cambio de voltaje detectable en el inductor. Por lo tanto, en realizaciones preferidas, el controlador está dispuesto para determinar si ha obtenido o no suficiente información de los cambios de voltaje detectados a través del inductor para realizar un control adecuado del ciclo de trabajo. Esto se puede hacer, por ejemplo, contando el número de transiciones detectadas y comparando con un número esperado de transiciones (por ejemplo, según un recuento anterior del número de celdas). Cuando se detecta un problema de este tipo, la celda puede disponerse para tomar medidas inmediatamente. Sin embargo, como el control del ciclo de trabajo es un bucle de control a largo plazo, puede ser aceptable pasar por alto tales problemas a corto plazo. A medida que las celdas evolucionan constantemente sus temporizaciones, el problema puede muy bien ser de corta duración y mediciones precisas realizadas una vez más. Por lo tanto, en algunos ejemplos, el controlador puede estar dispuesto a tomar medidas solo después de que el problema (es decir, la falta de información suficiente) haya persistido durante un período de tiempo predeterminado. En algunos ejemplos, ese período de tiempo puede ser de al menos 30 segundos, al menos un minuto o al menos dos minutos.

Preferentemente, cuando el controlador determina que se ha obtenido información insuficiente (y opcionalmente, cuando esta ha persistido durante el período de tiempo predeterminado), el controlador ajusta el ciclo de trabajo del circuito de conmutación. Por lo tanto, el controlador obliga a su propio ciclo de trabajo a cambiar para garantizar que sus transiciones no se superpongan exactamente con las de otro ciclo de trabajo de otra celda. Una vez que se haya eliminado el problema, el algoritmo de control volverá a alinear naturalmente el ciclo de trabajo con el valor deseado.

Con el fin de garantizar que dos celdas no realicen el mismo ajuste simultáneamente (lo que evitaría la rectificación del problema), la celda puede ajustar su ciclo de trabajo en una cantidad aleatoria o en una cantidad fija en una dirección aleatoria.

Preferentemente, el inductor está en serie con el circuito de conmutación. Esto significa que el inductor siempre está conectado entre los terminales positivo y negativo independientemente del estado de conmutación del circuito de conmutación, es decir, independientemente de si una fuente de energía está conectada entre los terminales o está desviada. En esta configuración, el inductor puede continuar actuando como un detector de cambio de corriente y como parte de un inductor de filtrado distribuido incluso cuando el circuito de conmutación está en un estado de desviación. El inductor puede estar conectado a cualquier lado del circuito de conmutación, es decir, entre el circuito de conmutación y el terminal positivo o entre el circuito de conmutación y el terminal negativo. No es necesario que el inductor esté conectado directamente al terminal o al circuito de conmutación (puede haber otros componentes o circuitos intermedios).

Como el inductor forma parte de la celda inteligente, forma parte de una estrategia de controlador descentralizado para regular el estado de carga de las celdas dentro de un sistema más grande. Por ejemplo, puede formar parte de una estrategia de controlador descentralizado para regular el estado de carga de celdas conectadas en serie de capacidades variables.

Otra ventaja de proporcionar un inductor como parte de la celda inteligente es que forma parte de un inductor de filtrado distribuido. Normalmente se proporcionaría un inductor de filtrado para una cadena de celdas (por ejemplo, en un controlador modular de múltiples niveles) como un único componente separado en serie con las celdas. Dividir esto en varios inductores más pequeños en una disposición distribuida permite usar componentes más pequeños, lo que puede reducir significativamente el costo.

Preferentemente, el controlador está dispuesto para ajustar la temporización de conmutación del circuito de conmutación según dicho voltaje de inductor.

En una topología de control multinivel modular, se ha descubierto que esto permite que un controlador local determine cuándo encender y apagar su dispositivo de almacenamiento de energía. Esto evita la necesidad de un controlador general que controle todos los módulos (es decir, que permita un control descentralizado). Una ventaja de esto es que el controlador local puede viajar con su propio dispositivo de almacenamiento de energía, reteniendo información sobre su historial, por ejemplo, información sobre el estado de salud (EDS) y el estado de carga (EDC). Otra ventaja del controlador local es que no hay necesidad de un bus de comunicaciones en todo el sistema para transferir información entre las celdas o entre las celdas y un controlador separado en todo el sistema.

El circuito de conmutación normalmente encenderá y apagará su dispositivo de almacenamiento de energía en un ciclo periódico que tiene un período de tiempo, un ciclo de trabajo (que puede representarse como una proporción del período de tiempo donde el dispositivo de almacenamiento está conectado en lugar de desviarse) y una fase (que puede representarse como un tiempo de inicio relativo al inicio del ciclo). Ajustar el tiempo de conmutación del circuito de conmutación puede incluir ajustar cualquiera de: el ciclo de trabajo, la fase, el período de tiempo o la frecuencia del ciclo de conmutación.

El controlador puede estar dispuesto para realizar cualquier tipo de función de control según las características deseadas del sistema. Sin embargo, en algunas realizaciones preferidas, el controlador está dispuesto para determinar, según el voltaje del inductor, una temporización deseada para el circuito de conmutación que minimiza el impacto en la ondulación del voltaje de salida (por ejemplo, de una cadena en serie de celdas inteligentes) y está dispuesto para ajustar la temporización para el circuito de conmutación hacia la temporización deseada.

Para un convertidor de CC a CC, es deseable minimizar la ondulación del voltaje de salida para proporcionar la salida más suave posible. En una cadena de dispositivos de almacenamiento de energía conectados en serie, cada vez que se enciende o apaga un dispositivo, el voltaje de salida salta. Si dos dispositivos están conectados simultáneamente, o en momentos muy similares, a continuación, el salto de voltaje será grande (es decir, hay una gran ondulación). Por lo tanto, es deseable minimizar esto para que el voltaje de salida general sea lo más consistente posible. Como cada controlador en el sistema puede detectar los eventos de conmutación de otros dispositivos dentro del sistema a través de su inductor, cada controlador puede intentar minimizar su impacto en la ondulación de voltaje general variando su temporización.

Aunque el controlador podría ajustar sus temporizaciones exactamente a las temporizaciones deseadas calculadas, esto puede dar como resultado inestabilidad cuando varios de estos controladores operan individualmente al mismo tiempo. Con el fin de fomentar que se alcance una situación de equilibrio, se prefiere que los controladores realicen ajustes de tiempo más pequeños hacia los tiempos diana. Preferentemente, el controlador está dispuesto para ajustar la temporización a una velocidad proporcional a un ciclo de trabajo del circuito de conmutación. Es probable que el ciclo de trabajo varíe ligeramente de una celda a otra y, por lo tanto, esto impide la sincronía con otras celdas en un sistema y alienta a las diferentes celdas a ajustarse a diferentes velocidades, evitando así un funcionamiento inestable.

En algunas realizaciones preferidas, el controlador está dispuesto para: detectar cambios de corriente dentro del sistema; analizar dichos cambios para determinar los tiempos de conmutación de otras celdas; calcular los tiempos de conmutación deseados de otras celdas; calcular los tiempos de conmutación deseados para la celda inteligente según dichos cambios de corriente; y ajustar los tiempos de conmutación de la celda inteligente ajustando sus tiempos hacia los tiempos de conmutación deseados.

Los cambios en la corriente se pueden detectar midiendo el voltaje a través del inductor. Preferentemente para analizar los cambios de corriente, el controlador está dispuesto a realizar la detección de bordes en la corriente detectada en el sistema para detectar los tiempos de conmutación de otras celdas. Como el controlador es local para la celda, no puede determinar fácilmente qué bordes pertenecen a qué otras celdas. De hecho, en el caso más general, ni siquiera sabrá cuántas otras celdas hay en el sistema, o de qué tipo son. Por lo tanto, los bordes detectados no se pueden asociar fácilmente con una celda en particular. Esto presenta una dificultad en el análisis, ya que no es posible determinar cuándo se enciende una celda y cuándo se apaga, es decir, cuán largo es su ciclo de trabajo. Sin esta información, no se dispone de un modelo de trabajo completo del sistema. Sin embargo, como se explicará con más detalle más adelante en este documento, se ha descubierto que la detección de los bordes en la corriente del sistema es suficiente para permitir encontrar una solución. El algoritmo de control permite así que múltiples fuentes de energía independientes (dispositivos de almacenamiento de energía) trabajen juntas hacia un objetivo común.

Preferentemente, para analizar los cambios, el controlador está dispuesto para combinar los tiempos de conmutación en pares de un tiempo de conexión y un tiempo de desconexión. Este emparejamiento no necesita coincidir con un tiempo de conexión y desconexión en particular, es decir, los tiempos de conexión y desconexión no necesitan corresponder a la misma celda (que el controlador no puede determinar). En cambio, cualquier conexión y desconexión se puede emparejar y se puede demostrar que esto equivale a hacer coincidir los tiempos correctos de conexión y desconexión. Esto simplifica en gran medida el procedimiento de análisis y permite que el sistema se modele de una manera computacionalmente eficiente de modo que se pueda realizar la optimización requerida.

Preferentemente, el controlador está dispuesto además para formar vectores a partir de los pares, cada vector está definido por un ángulo que se determina tomando el promedio del tiempo de conexión y del tiempo de desconexión en relación con el período de conmutación de la celda inteligente y una magnitud igual al seno de la diferencia entre el tiempo de conexión y el tiempo de desconexión.

Se ha descubierto que esta transformación particular simplifica aún más el problema de optimización para determinar los tiempos de conmutación óptimos para la celda. Como se tratará con más detalle a continuación, el problema de optimización se puede expresar como minimizar una expresión de serie de Fourier para el voltaje de ondulación. Con esta transformación, una suma vectorial de los vectores así definidos es matemáticamente equivalente al problema de optimización con la serie de Fourier expandida solo a primer orden. La transformación y la suma de vectores son significativamente menos intensivas para calcular que la expresión de Fourier completa y, por lo tanto, permiten que el problema de optimización se calcule de manera más eficiente y rápida. A pesar de que la optimización es solo de primer orden (es decir, la fundamental) de la serie de Fourier, se ha descubierto, sorprendentemente, que esto conduce a una solución estable más rápida y confiable que la optimización a un orden superior.

Por lo tanto, preferentemente, el controlador está dispuesto para minimizar la magnitud de la suma de vectores de todos dichos vectores. Esto se puede lograr realizando la suma de vectores con los propios tiempos de la celda omitidos (ya sea omitidos del procedimiento de emparejamiento, o con el propio vector de la celda sustraído de la suma de vectores final). Los tiempos óptimos para la celda a continuación se pueden determinar configurando el vector deseado de la celda para que esté en la dirección opuesta a la suma del vector e invirtiendo la transformación del vector para determinar los tiempos óptimos para la celda.

Los tiempos de conmutación pueden ajustarse simplemente ajustando la fase del ciclo de conmutación a un tiempo anterior o posterior. Sin embargo, en una alternativa, el controlador puede estar dispuesto para ajustar los tiempos de conmutación ajustando el período de conmutación de la celda inteligente. La elección del procedimiento de desplazamiento de fase utilizado puede basarse en el hardware disponible en el sistema. El controlador puede estar dispuesto para ajustar los tiempos de conmutación ajustando los tiempos a una velocidad proporcional al ciclo de trabajo de la celda inteligente. Como se analizó anteriormente, los ciclos de trabajo generalmente varían entre diferentes celdas y, por lo tanto, esto tiene la ventaja de provocar la convergencia en los tiempos deseados a diferentes velocidades, lo que evita mejor los estados inestables.

Al distribuir el inductor entre una pluralidad de celdas, los inductores individuales se pueden hacer más pequeños. La minimización de componentes reduce el coste. En disposiciones particularmente preferidas, el inductor puede formarse como una traza de PCI. Esta es una de las formas más rentables de hacer un inductor.

Tanto el control de fase (para la minimización de la ondulación del voltaje) como el control del estado de carga (para la sincronización de la celda) se pueden realizar en la misma celda al mismo tiempo. Estos se pueden realizar mediante controladores separados, pero preferentemente son parte del mismo controlador. Por lo tanto, preferentemente, el controlador comprende un controlador de fase de conmutación dispuesto para ajustar la temporización de conmutación del circuito de conmutación en un primer bucle de control y un controlador de estado de carga dispuesto para ajustar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación en un segundo bucle de control.

Como se analizó anteriormente, los ajustes de temporización de conmutación realizados por el controlador de fase de conmutación pueden incluir ajustes al ciclo de trabajo, pero en las realizaciones preferidas estos no entran en conflicto con los ajustes del ciclo de trabajo realizados por el controlador del estado de carga. La minimización de la ondulación de voltaje se realiza preferentemente mediante un bucle de control mucho más rápido que los ajustes del estado de carga. Por ejemplo, preferentemente el primer bucle de control funciona a una velocidad mayor que el segundo bucle de control, preferentemente al menos 10 veces la velocidad, al menos 20 veces la velocidad, al menos 50 veces la velocidad o al menos 100 veces la velocidad. Por lo tanto, en funcionamiento normal, la ondulación de voltaje se habrá minimizado o minimizado sustancialmente antes de que el controlador de estado de carga realice cualquier ajuste adicional del ciclo de trabajo. Es posible que ambos bucles funcionen juntos. Sin embargo, en algunos ejemplos, el controlador de estado de carga puede estar dispuesto de tal manera que no modifique el ciclo de trabajo hasta que el controlador de fase haya alcanzado una condición de estado estable. Esto garantiza que el análisis donde el controlador de estado de carga basa su decisión se tome de la situación actual de estado estable y no se base en conmutaciones de voltaje inusuales que pueden ocurrir durante condiciones transitorias.

Se apreciará que el dispositivo de almacenamiento de energía puede comprender al menos uno de una batería, una batería recargable, un condensador o un supercondensador, o combinaciones de los mismos. En su lugar, se pueden usar otros dispositivos de almacenamiento de energía. Además, el tamaño de los dispositivos de almacenamiento de energía puede variar mucho dependiendo de la aplicación. La invención puede usarse para baterías recargables conectadas en serie para dispositivos personales o domésticos, pero se espera que sea particularmente útil en dispositivos de almacenamiento de energía conectados a la red que pueden tener una capacidad general mucho mayor (por ejemplo, compuestos por una gran cantidad de celdas más pequeñas). En particular, las celdas usadas (por ejemplo, de dispositivos electrónicos de consumo desechados o vehículos eléctricos) que pueden haberse degradado de su capacidad original pueden reutilizarse combinándolas junto con la electrónica de control adecuada en grandes dispositivos de almacenamiento de energía multicelda que pueden estar conectados a la red. Esto proporciona una fuente económica de almacenamiento y es respetuoso con el medio ambiente al reutilizar celdas que de otro modo se considerarían al final de su vida útil. Por ejemplo, los paquetes de baterías para un vehículo eléctrico ya no serán útiles (y se considerarán al final de su vida útil) cuando no puedan soportar la autonomía requerida del vehículo, pero aún pueden tener un potencial de almacenamiento significativo que se pueda utilizar para otras aplicaciones.

En algunas realizaciones, el dispositivo de almacenamiento de energía puede comprender una pluralidad de dispositivos de almacenamiento más pequeños en paralelo y/o en serie, con un controlador dispuesto para controlar el suministro de energía desde dichos dispositivos más pequeños. El controlador que controla dicho conjunto de celdas paralelas puede ser el mismo controlador que se usa como se describió anteriormente para interactuar con otras celdas inteligentes conectadas en serie, o puede ser un controlador separado que solo controla la matriz paralela de subceldas.

Por lo tanto, la invención puede usarse en sistemas de almacenamiento de energía para equilibrar el estado de carga en cada celda de un paquete de baterías. También se puede usar en contextos más grandes, donde en lugar de administrar el estado de carga de una celda individual, se podría usar para administrar el estado de carga de uno o más paquetes de baterías. Se apreciará que la invención se puede emplear en múltiples niveles, por ejemplo, en celdas individuales dentro de un paquete, así como en paquetes individuales dentro de un sistema de múltiples paquetes.

Según otro aspecto, la invención proporciona un sistema de celdas inteligentes comprendiendo una pluralidad de celdas inteligentes, estando dichas celdas conectadas en serie. Las celdas inteligentes pueden ser como se describió anteriormente, incluyendo opcionalmente cualquiera de las características opcionales o preferidas también descritas anteriormente. La pluralidad de celdas inteligentes puede formar un convertidor multinivel. El convertidor multinivel puede ser un convertidor de CC a CC o puede ser un convertidor de CC a CA. Un convertidor multinivel formado por una pluralidad de celdas inteligentes podría usarse en una aplicación donde las celdas de batería y los supercondensadores y otros dispositivos de almacenamiento de energía se mezclan en la misma cadena de celdas inteligentes. Este tipo de aplicación puede ser útil para vehículos eléctricos y vehículos híbridos donde hay ciclos frecuentes de carga y descarga. Además, una serie de celdas inteligentes sería muy aplicable en algunas arquitecturas de transmisión eléctrica donde se necesita una gran relación de conversión de la batería a la electrónica de accionamiento del motor.

El sistema de celdas inteligentes puede comprender una pluralidad de convertidores multinivel en paralelo, es decir, varias cadenas de celdas en paralelo, comprendiendo cada cadena celdas en serie, con el fin de aumentar la capacidad total del sistema a un valor deseado.

En ejemplos preferidos, en el caso eventual de una falla de celda, el circuito de conmutación de celda inteligente puede desviarse automáticamente de la celda fallida, por lo que la cadena permanece operativa.

Se apreciará que la celda inteligente puede incluir el dispositivo de almacenamiento de energía o puede suministrarse por separado. Por ejemplo, el controlador de celda inteligente y los circuitos de conmutación pueden suministrarse con una ranura o soporte vacío para recibir un dispositivo de almacenamiento de energía (como una celda de batería recargable o un paquete de baterías) o pueden suministrarse con terminales a los que puede conectarse un dispositivo de almacenamiento de energía separado.

Según otro aspecto, la invención proporciona un procedimiento para controlar una celda inteligente dentro de un sistema multicelda, comprendiendo la celda inteligente un inductor proporcionado entre el terminal positivo y el terminal negativo, comprendiendo el procedimiento: detectar cambios de voltaje a través del inductor; y ajustar el ciclo de trabajo de la celda inteligente según las magnitudes de los cambios de voltaje detectados a través del inductor.

Se apreciará que las características preferidas y opcionales descritas anteriormente también pueden aplicarse al procedimiento. En particular, el procedimiento puede comprender además: analizar las magnitudes de dichos cambios de voltaje para determinar los estados de carga de otras celdas inteligentes en el sistema; y donde ajustar el ciclo de trabajo de la celda inteligente comprende sincronizar el estado de carga de la celda inteligente con el estado de carga promedio de otras celdas inteligentes en el sistema. El estado de carga promedio de otras celdas inteligentes en el sistema puede calcularse a partir de una magnitud promedio de los cambios de voltaje detectados en el inductor. Cuando la etapa de análisis no determina los estados de carga de todas las demás celdas del sistema, se puede ajustar el ciclo de trabajo de la celda inteligente.

Además, el análisis en el controlador puede comprender realizar la detección de bordes en la corriente detectada en el sistema para detectar los tiempos de conmutación de otras celdas. Dicho análisis puede comprender una etapa de detección de los niveles de voltaje para detectar cuándo se conectan o desconectan múltiples celdas inteligentes al mismo tiempo. Dicho análisis puede comprender combinar dichos tiempos de conmutación en pares de un tiempo de conexión y un tiempo de desconexión. El procedimiento puede comprender además formar vectores a partir de dichos pares, cada vector se define por un ángulo que se determina tomando el promedio del tiempo de conexión y el tiempo de desconexión en relación con el período de conmutación de la celda inteligente y una magnitud igual al seno de la diferencia entre el tiempo de conexión y el tiempo de desconexión. Dicho análisis puede comprender minimizar la magnitud de la suma vectorial de todos dichos vectores. El ajuste de los tiempos de conmutación puede comprender ajustar el periodo de conmutación de la celda inteligente. Ajustar los tiempos de conmutación puede comprender ajustar los tiempos a una velocidad proporcional al ciclo de trabajo de la celda inteligente.

Como se discutió anteriormente, una de las mayores ventajas de la invención es que permite que un gran paquete de baterías equilibre el estado de carga en cada celda sin ninguna comunicación necesaria entre las celdas. Esto simplifica enormemente el cableado y la detección necesarios dentro del paquete de baterías. Además, se prevé que la electrónica de energía y el algoritmo de control se puedan empaquetar junto con la propia celda. Por lo tanto, la información sobre el estado de salud y el estado de carga de la celda siempre viajará con la celda, por ejemplo, si está instalada en otro dispositivo.

Además, la invención permite diseñar sistemas modulares donde el número de celdas en la cadena (es decir, en el paquete) no es fijo. En su lugar, se pueden añadir nuevas celdas cuando se desee o cuando estén disponibles y las celdas viejas se pueden retirar a medida que se degradan o si ya no son necesarias. Esta flexibilidad es particularmente adecuada para el modelo de control descentralizado.

En algunas realizaciones preferidas, el sistema descargará y cargará celdas de capacidad variable en proporción a su capacidad. Mediante el uso de una topología modificada de convertidor modular multinivel (CMM), es posible lograr este objetivo. La topología general del CMM permite conectar una celda a la salida o desviarse de la celda por completo.

El algoritmo de control funciona porque se ha demostrado a través de un análisis teórico detallado (descrito más adelante) que es posible obtener una salida suave de una cadena de celdas que conmutan utilizando la información disponible localmente en cada celda.

La invención se puede utilizar en cualquier escenario donde fuentes de energía de capacidad variable estén conectadas en serie. Además de instalar este algoritmo a nivel de celda, es posible usar el mismo algoritmo con paquetes de celdas más grandes, o incluso diferentes combinaciones de fuentes de energía, como celdas de batería y celdas de combustible.

A continuación, se describirán realizaciones preferidas de la invención, sólo a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos donde:

Las Figs. 1a y 1b muestran una arquitectura CMM estándar;

La Fig. 2 muestra un ejemplo de arquitectura de sistema según la invención;

La Fig. 3 muestra los voltajes en el inductor de detección durante la conmutación de un sistema de dos celdas inteligentes;

La Fig. 4 ilustra los tiempos de una celda inteligente como fases y vectores que representan los tiempos y el voltaje de la celda inteligente;

La Fig. 5 ilustra el uso de vectores dirigidos de forma opuesta para minimizar la corriente de ondulación;

La Fig. 6 ilustra cómo el voltaje terminal de sincronización es equivalente a la operación en paralelo;

La Fig. 7 ilustra las etapas de procesamiento de un controlador;

La Fig. 8 muestra los resultados de una simulación;

La Fig. 9 muestra una captura de pantalla del osciloscopio de un experimento;

La Fig. 10 muestra cómo evolucionaron los voltajes de las celdas y los ciclos de trabajo durante el experimento; La Fig. 11 muestra la evolución de los voltajes de las celdas con el controlador del EDC deshabilitado; y La Fig. 12 muestra una captura de pantalla del osciloscopio de otro experimento con celdas inteligentes que funcionan con conmutación sincronizada.

La Figura 1a muestra un esquema de un convertidor multinivel modular (CMM) estándar 10 compuesto por una cadena 11 de submódulos 12 conectados entre un riel positivo P y un riel negativo N. Un submódulo 12 se muestra con más detalle en la Figura 1b. Cada submódulo 12 comprende un dispositivo de almacenamiento de energía 14, como una batería o un condensador (aunque se puede usar cualquier dispositivo de almacenamiento de energía). El submódulo 12 tiene dos conmutadores S<r>y S<f>que siempre están en estados opuestos. Cuando S<r>está conectado (y S<f>está desconectado), el dispositivo de almacenamiento de energía 14 está conectado en serie con cualquier otro dispositivo de almacenamiento de energía en la cadena 11. Cuando S<f>está conectado (y S<r>está desconectado), el dispositivo de almacenamiento de energía 14 se deriva, es decir, no está conectado a la cadena en serie 11.

La salida del convertidor 10 se toma del nodo central 13. El voltaje en el nodo 13 puede variarse controlando cuántos de los submódulos 12 en el lado positivo y cuántos módulos 12 en el lado negativo del nodo 13 conectaron sus respectivas fuentes de energía 14 en la cadena en serie 11 y cuántos derivan sus fuentes de energía 14.

Cada submódulo es capaz de conectar la fuente de almacenamiento de energía local 14 a la cadena en serie 11, o derivarla, enviando los comandos de activación apropiados a los conmutadores semiconductores de energía S<r>, S<f>.

Las realizaciones de la invención descritas y mostradas en el resto de las figuras proporcionan un sistema de gestión de baterías (SGB) a nivel de celda y un convertidor de energía que utiliza una estrategia de control descentralizada para regular el estado de carga de las celdas conectadas en serie, que pueden ser de capacidades variables. Como se mencionó anteriormente, el trabajo anterior en este campo incluye sistemas de gestión de baterías con información y control global, y sistemas con comunicación de bajo ancho de banda o una red de comunicación dispersa. Por el contrario, las realizaciones presentadas aquí introducen un controlador completamente descentralizado que no se basa en ninguna comunicación. El sistema de gestión de batería distribuido se puede usar para descargar y cargar cada celda en una serie de celdas proporcionales a su capacidad. Los convertidores también se controlan de tal manera que minimizan el tamaño de los componentes de filtrado en la cadena en serie. Esto se debe a que el controlador de fase está diseñado de tal manera que minimiza la ondulación del voltaje de salida y, por lo tanto, se pueden utilizar componentes de filtrado más pequeños.

Arquitectura del sistema

Un ejemplo de la arquitectura del sistema propuesta se muestra en la Fig. 2. La Fig. 2 muestra un controlador multinivel modular (CMM) 20. Ya se ha utilizado una topología CMM para integrar grandes paquetes de baterías para aplicaciones de alta energía. Sin embargo, en algunos ejemplos preferidos, lo que se propone aquí es usar el CMM en aplicaciones de baja energía. En este ejemplo, el sistema está construido a partir de tres celdas CMM 21, cada una de las cuales contiene una red de conmutación de medio puente 22 similar a las redes de conmutación que se encuentran en los submódulos de otros convertidores CMM conocidos. Dependiendo del estado de los conmutadores, la red de conmutación 22 conecta el dispositivo de almacenamiento de energía 26 entre el terminal negativo 27 y el terminal positivo 28 del submódulo 21 o desvía el dispositivo de almacenamiento de energía 26. Sin embargo, cada submódulo 21 (también denominado "celda inteligente" en esta invención) tiene dos características distintas que lo hacen diferente de un submódulo CMM estándar (como el submódulo 12 que se muestra en la Fig. 1b):

1. Existe un controlador independiente y autónomo 23 en cada celda inteligente 21.

2. Cada celda inteligente 21 incluye un pequeño inductor de filtro 24, Lsc.

El controlador descentralizado 23 gestiona el estado de carga (EDC) y supervisa el estado de salud (EDS) de su celda de batería conectada localmente. Esta información se utiliza para aplicar un ciclo de trabajo a los conmutadores Ql yQh,de modo que la celda de batería conectada 26 se descargue en proporción a su capacidad. La descarga de todas las celdas de batería 26 en proporción a sus respectivas capacidades produce dos grandes beneficios para la cadena de celdas inteligentes 25:

1. El EDC de todas las celdas de batería 26 en la cadena 25 se sincronizará.

2. Las celdas de batería más grandes y saludables 26 se cargarán más que las celdas de batería más pequeñas y degradadas 26, por lo que el paquete 25 se degradará a una velocidad más uniforme.

El voltaje, v<i>, a través del inductor de filtro pequeño,Lsc,contiene toda la información requerida para que cada celda inteligente determine su patrón de conmutación óptimo y ajuste su ciclo de trabajo para sincronizar su EDC con las otras celdas inteligentes de la cadena. La Fig. 3 es una simulación de un sistema de dos celdas inteligentes que cambia en su patrón de conmutación óptimo, con el voltaje a través de uno de los inductores de detección que se muestra. Como se muestra en la Fig. 3, todas las transiciones de conmutación son capturadas por el inductor de detección, Lsc. Las secciones adicionales a continuación describen cómo se obtiene el patrón de conmutación óptimo utilizando las transiciones de vi cómo se diseña el Controlador de Fase de la Fig. 2, cómo se sincroniza el EDC de la cadena utilizando el voltaje a través de vi y el diseño del Controlador del EDC de la Fig. 2.

Además de la detección, Lsc se utiliza como inductor distribuido para proporcionar un filtrado de salida. Al dividir el inductor del filtro de salida entre cada celda inteligente 21, se reduce la inductancia. En algunas implementaciones, Lsc podría ser lo suficientemente pequeño como para implementarse en el trazo de una placa de circuito impreso (PCI), reduciendo así en gran medida el costo y el tamaño de este componente. La salida de CC a la carga simplemente requiere un pequeño condensador de filtro,Csaiida,cuya capacitancia depende de los requisitos de la aplicación, es decir, sin inductor adicional externo a las celdas inteligentes 21.

Patrón de conmutación óptimo

Con el fin de minimizar la ondulación del voltaje de salida medido envsaiida,se determina un patrón de conmutación óptimo de todos los conmutadoresQhyQl .Esto se realiza mediante todas las celdas inteligentes 21 que minimizan colectivamente el valor cuadrático medio de la corriente alterna del inductor. Una derivación completa de los resultados proporcionados en esta invención se puede encontrar en la solicitud de patente anterior de los inventores, PCT/GB2016/052507, que se incorpora en esta invención como referencia en su totalidad.

Dado un conjunto de ÍW celdas de batería con capacidades C = {C i; C2,...,Cm},nuestro objetivo es encontrar un conjunto 0 ={ e u e 2,

de fases, ' , para la conexión de cada celda inteligente que minimice la corriente de ondulación en el inductor local Lsc, y así minimizar el voltaje de ondulación de salida. Es razonable suponer que el voltaje nominal de todas las celdas de batería esVnom =Vi = V2 =... =Vm,ya que el EDC de todas las celdas de batería 26 estará sincronizado. El ciclo de trabajo de la / és¡ma celda inteligente 21 se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:

c,

O i = - T ~(1)lmax

donde CwAxes la capacidad máxima esperada dentro del conjunto C entre todas las celdas 26, de modo que 0 < D¡ < 1 para todas lasi.

Los inventores han demostrado que una expresión analítica para el valor cuadrático medio de la corriente alterna del inductor como función de los ciclos de trabajo y de los ángulos de fase de las celdas inteligentes es:

dondeTses el periodo de conmutación.

0 — { 0 lJP62, 6 m )

La ecuación (2) se puede minimizar para determinar un conjunto óptimo que minimizará el valor cuadrático medio de la corriente alterna en el inductor Lsc y,por lo tanto,la ondulación del voltaje de salida enVsaiida.

Simplificación del problema

Al examinar (2), vemos que resolver un conjunto óptimo 0 para minimizarkac-rmsno es trivial y es difícil de lograr sin una energía computacional significativa e información global sobre el sistema. Por lo tanto, en esta sección presentamos una forma de identificar un conjunto 0 que producirá una solución satisfactoria, con requisitos computacionales significativamente menores y de manera descentralizada.

Primero, representemos la acción de conmutación de la /cés/ma celda inteligente como un vector,Vk,en el círculo unitario

como se representa en la Fig. 4. La k esima celda inteligente se conectará en<0 ^>, y se apagará en<0 /í 2 n D b>.Ahoravk

se define un nuevo vector, que se conocerá como el vector ponderado, cuya fase coloca el vector a mitad de camino entre los tiempos de conexión y desconexión y cuya duración es sen(nDk). Por lo tanto, la fase y la longitudv'k

del vector ponderado, , vienen dadas por:

\v'k\=sen(7iDk)(4)

La ecuación (5) tiene exactamente la misma forma que (2) cuandon = 1 (esdecir, solo se considera la fundamental). Por lo tanto, un algoritmo de control que producirá un mínimo subóptimo pero aceptable de (2) es para minimizar la magnitud del vector de suma total,

Aplicando la transformación descrita en (3) y (4) a todas las celdas inteligentes, y sumando todas las ,podemos\v'r \2:

encontrar el cuadrado de la magnitud del vector de suma total,

M M

\v'L\2 —^ y sen(jr£»¿)seii

i = i j = i

Extracción de información de vi

I

Con el fin de minimizar la magnitud del vector de suma total, 1 2, que se encuentra en (5), todavía se requiere el ciclo de trabajo y el desplazamiento de fase de cada celda inteligente en la cadena. Como se muestra en la Fig. 3, cada vez que una celda inteligente entra y sale de la cadena, esta transición es capturada por cada inductor de detección,Lsc,en la cadena de celdas inteligentes. Por lo tanto, al observar cuándo ocurren todas las transiciones positivas y negativas env,se pueden determinar los tiempos de "conexión" y "desconexión" de todas las celdas inteligentes en la cadena. A partir de esta información, se puede determinar el desplazamiento de fase y los tiempos de "conexión" de cada celda en la cadena. El tiempo de "desconexión" correspondiente y, por lo tanto, el ciclo de trabajo de cada celda, no se puede determinar de forma única.

Sin embargo, como los inventores han demostrado en el documento PCT/GB2016/052507, no hay necesidad deemparejarla transición "desconectada" correcta con su transición "conectada" para minimizar (5). Incluso si las transiciones "conectado" y "desconectado" están emparejadas incorrectamente, se encontrará el mismo mínimo de (5).

Diseño de controlador de fase

El controlador de celdas inteligentes debe diseñarse de manera que un grupo de celdas que trabajen juntas se minimice (5). Al tomar la derivada de (5) y establecerla en cero, se pueden encontrar los mínimos locales. La derivada parcial de (5) con respecto aQkse muestra a continuación:

M

d\v'z\

= 2sen(jrDfc) ^ sen(jrD¿)sen(jr(D¿ -Dk)+8¿-6k) dd„¡ = 1 ;i*Jr(6)

V L

Gráficamente, establecer (6) en oero es equivalente a "apuntar" el vector ponderado en 1) una dirección opuesta,

o 2) la misma dirección, a todos los demás vectores ponderados sumados. Claramente, al “apuntar”ken

Xl Vji k

la misma dirección que ' daría como resultado grandes corrientes en el inductor, ya que todas las celdasv'keventualmente estarían en fase, maximizando la corriente de ondulación. Sin embargo, si elegimos dirigir en la 2ji ix k

direcciónopuesta a ' ,la comente a través de los inductores se reducirá y (5) se minimizará. Esto se puede lograr con el controlador descrito en la ecuación (7) a continuación. La Fig. 5 resume esta constatación.

Por lo tanto, durante cada iteración del controlador de celda inteligente, cada celda inteligente sumará los vectores ponderados de todas las demás celdas inteligentes que detecte, y establecerá su referencia local a 180 grados de distancia de esa suma. Al hacer esto, cada celda inteligente conducirá (6) a cero, encontrando así un mínimo local

O'k.ref

para (5). Usando este diseño del controlador, (7) define el ángulo de referencia,,para el vector de sumaV L

ponderada de lak-ésimacelda inteligente,

d

Téngase en cuenta el signo negativo en (7), esto asegura que el ángulo entrek i .re fyY i i v ''i i ± kes llevado aTt.Usando (7) y la transformación de ángulo de (3), se puede construir un modelo no lineal para elk-és¡mocontrolador de celda inteligente, y se muestra a continuación

dondeCt>k kes la frecuencia de conmutación yKes una constante del controlador.

Diseño del controlador del EDC

El EDC de cada celda inteligente se regula sincronizando su EDC con el EDC promedio de una serie de celdas inteligentes, que se determina analizando<vi>, el voltaje a través del inductor de detección, Lsc. El controlador del EDC asume que la cadena de celdas inteligentes está compuesta por celdas de la misma química, de modo que existe una relación consistente entre el EDC y el voltaje del terminal de la celda en toda la cadena.

Como se muestra en la Fig. 3, cada vez que una celda inteligente entra y sale de la cadena, el voltaje que conmuta será detectado por todos los inductores de detección en la cadena de celdas inteligentes. Por lo tanto, al calcular las diferencias en los niveles de la forma de ondav,cada celda inteligente puede extraer el voltaje terminal de la celda que se conectó o desconectó. Al promediar todas estas diferencias, se obtiene un voltaje terminal medio para la cadena de celdas inteligentes en serie. Con el fin de tener en cuenta las variaciones en la inductancia deLscy el hardware de detección, la ganancia del sensor vi se puede medir y ajustar cada vez que se ejecuta el controlador del EDC. Dado que la celda local conoce su ciclo de trabajo y fase, puede determinar qué transiciones en la forma de onda vi son causadas por su conmutación de celda dentro y fuera del circuito. Utilizando estas transiciones, junto con la medición del voltaje de la celda local, la celda local puede calcular la ganancia de su sensor vi para determinar correctamente los voltajes de las otras celdas que entran y salen del circuito.

El controlador del EDC ajusta el ciclo de trabajo de la celda local utilizando un controlador proporcional-integral (PI) simple para sincronizar su voltaje terminal con el voltaje terminal promedio de la cadena. La operación de esta manera es equivalente a operar las celdas en paralelo, como se muestra en el ejemplo de dos celdas de la Fig. 6. Cuando dos celdas forman un paquete paralelo de celdas en paralelo, sus voltajes terminales son iguales, y sus corrientes de salida son¡ie¡2,donde¡ino es necesariamente el mismo queÍ2,como se muestra en la Fig. 6 (a). Esta conexión paralela se puede dividir y cargar cada celda individualmente con¡1e¡2de modo que sus voltajes terminales sigan siendo iguales, como se muestra en la Fig. 6 (b). Por lo tanto, las dos celdas están funcionando como si estuvieran conectadas en paralelo. Finalmente, se pueden colocar las dos celdas en serie como se muestra en la Fig. 6 (c), operándolas con corrientes¡1e ¡2, de modo que sus voltajes terminales sean iguales, y utilizando un convertidor de energía para habilitar la conexión en serie. Los EDC de las celdas conectadas en paralelo se consideran casi idénticos y no requieren más gestión. Por lo tanto, el EDC de las celdas inteligentes conectadas en serie también estará bien sincronizado, sin tener que calcular directamente su EDC.

Implementación del algoritmo de control

Se construyó un modelo MATLAB-Simulink de una celda inteligente utilizando la teoría descrita en este documento utilizando la caja de herramientas SimPowerSystems. El modelo utilizó el modelo de batería Simscape y elementos MOSFET para simular el circuito de energía. El controlador se implementó como una función MATLAB integrada y se ejecutó una vez por ciclo de conmutación cuando se conecta el MOSFET superior,Qh.

La Fig. 7 ilustra el algoritmo que el controlador implementa como un diagrama de bloques. Las etapas 1 a 5 a continuación fueron implementadas por la función integrada de MATLAB.

1.Procesador de señales:Detecta todas las transiciones positivas y negativas que ocurren durante cada ciclo de conmutación,Ts.El voltaje de la celda local,Viocai,y el voltaje promedio de la celda,Vpromedio,se miden utilizando los niveles de la forma de onda vi. El detector de bordes también realiza un seguimiento del número de celdas inteligentes detectadas en la cadena con un simple filtro de paso bajo para promediar el número de celdas inteligentes.

2Calcular6^ e fSe calcula un nuevo desplazamiento de fase de referencia utilizando (7).

3.CalcularQ’k,nueva.El controlador de fase calcula la nueva fase que se enviará al generador de PWM(Pulse Width Modulation- Modulación de ancho de pulso).

e í r .

4.Aplicar límites:Se añade±2tt a e>hasta que se encuentre entre -<tt>y<tt>.

5.Controlador de EDC:Se calcula un nuevo ciclo de trabajo utilizandoViocaiyVpromedio.El ciclo de trabajo actualizado,Dk,se envía al módulo de PWM.

6.Generador de PWM:Q’k,nuevaes utilizado por el generador PWM para producir señales de activación para los MOSFET.

El bucle de control de fase, definido por las etapas 1 a 4 en la Fig. 7, funciona cien veces más rápido que el bucle de control de EDC. El bucle de control de EDC está definido por las etapas 1 y 5, y no modificará el ciclo de trabajo a menos que el controlador de fase haya alcanzado un valor de estado estacionario.

La función de MATLAB integrada que implementa los controladores, fue convertida en código C++ por la caja de herramientas del codificador de MATLAB, para una fácil integración en el hardware.

Estudio de simulación del controlador de fase

Se realizó un estudio de simulación de una cadena en serie de tres celdas inteligentes para investigar la estabilidad del controlador de fase. La Tabla I enumera los parámetros de simulación utilizados. La ganancia del controlador,K,se eligió a través de experimentación.

Tabla I: Parámetros del estudio de simulación de tres celdas inteligentes

La simulación consistió en que las tres celdas inteligentes funcionaran de forma completamente independiente entre sí. El controlador de conmutación óptimo se conectó a 1,0 ms en la simulación. Se preprogramó un valor deCmax =4,00 Ah en cada celda inteligente, para que cada celda inteligente calculara su ciclo de trabajo local según (1). Esta preprogramación fue para proporcionar una condición inicial para esta simulación, ya que el controlador del EDC no se estaba ejecutando para esta simulación.

La Fig. 8 muestra cómo evolucionan las diferentes características del sistema a lo largo de la simulación. Inicialmente, todas las celdas inteligentes se encienden al mismo tiempo, lo que produce un valor cuadrático medio de corriente alterna de ondulación muy alto en el inductor, como se muestra en los gráficos de inserción. Al comienzo de la simulación, la media cuadrática dekac-rmses 103 mA, y el voltaje de salida de pico a pico,vsaiidat-pp,es 43 mV. Después de activar el controlador de conmutación óptimo, el desplazamiento de fase de cada celda inteligente evoluciona gradualmente sin problemas a su valor de estado estacionario. Al final de la simulación, lLac -rms yvsarna-pphan mejorado considerablemente a 26 mA y 6 mV, respectivamente. La cantidad de reducción de la corriente de ondulación y del voltaje de ondulación dependerá en gran medida de los ciclos de trabajo de las celdas inteligentes, por lo que un grupo diferente de celdas inteligentes puede tener una reducción de ondulación menor o mayor que la que se muestra aquí.

Resultados experimentales

Configuración del hardware

La teoría descrita en este documento se probó en el laboratorio con una configuración experimental que consta de tres celdas inteligentes en serie, como se muestra en la Fig. 2 utilizando los parámetros enumerados en la Tabla I. El hardware se construyó alrededor de la plataforma integrada de ARM, donde cada celda inteligente se implementa con la placa NUCLEO-F401 RE y una placa de circuito impreso (PCI) personalizada que contiene la etapa de energía. Las entradas de cada PCI de celda inteligente se conectaron a un pequeño paquete de celdas de iones de litio 18650 conectadas en paralelo, con el fin de simular celdas de batería de capacidades variables. La Tabla II enumera las capacidades de la celda equivalente conectada a cada celda inteligente, medidas por un probador de baterías Neware, 8 canales 5V20A-NTFA. Las celdas utilizadas fueron fabricadas por Samsung, número de modelo INR18650-29E. Las

salidas de las celdas inteligentes se conectaron en serie y se unieron a una carga resistiva de 4,8^ .

Tabla II: Capacidades de celdas utilizadas para probar tres PCI de celdas inteligentes en el laboratorio

La placa NUCLEO-F401 RE fue elegida por su microcontrolador relativamente potente, el STM32F401RET6, con el fin de centrar la atención en cómo se puede implementar el controlador de celda inteligente en el hardware. El STM32F401RET6 se basa en la CPU<A r M>Cortex-M4 de 32 bits y tiene una unidad de coma flotante. El convertidor de analógico a digital del STM32F401RET6 se configuró con su frecuencia de muestreo más alta de 2,8 MHz mientras se mantenía la resolución de muestreo de 12 bits, para capturar los detalles de la forma de onda<v i .>

Rendimiento del controlador de fase

Se llevó a cabo un primer experimento utilizando las capacidades preprogramadas de la Tabla I para verificar el rendimiento del controlador de fase, cuya función es reducir el valor cuadrático medio de la corriente alterna a través de la cadena de celdas inteligentes en serie.

La Fig. 9 muestra una captura de pantalla del osciloscopio de las cuatro celdas inteligentes funcionando y encontrando su patrón de conmutación óptimo. La ondulación de voltaje de pico a pico de los experimentos se redujo a 23 mV de 145 mV y el valor cuadrático medio de la corriente alterna de ondulaciónLscse redujo de 95 mA a 25 mA. Téngase en cuenta que el valor de pico a pico calculado por el osciloscopio, y que se muestra en la Fig. 9, incluye algo de ruido de conmutación, que se ignoró para las mediciones de voltaje de salida de pico a pico.

La Fig. 9 muestra una captura de pantalla del osciloscopio de las tres celdas inteligentes que funcionan en su patrón de conmutación óptimo, con un promedio aplicado con 8 muestras. El canal 2 (traza superior) es el voltaje a través deLscde la primera celda inteligente con una capacidad de C1. El canal 2 (traza media) es la ondulación del voltaje de salida. El canal 3 (traza inferior) es la corriente en los inductores de celda inteligente.

Las celdas inteligentes que funcionan en la Fig. 9 se ajustaron al mismo patrón de conmutación que las celdas simuladas en la sección anterior "Estudio de simulación del controlador de fase".

Rendimiento del controlador del EDC

También se realizó un segundo experimento para verificar el rendimiento del controlador del EDC. Cada celda inteligente se conectó a un conjunto de celdas completamente cargadas, como se enumera en la Tabla II. Sin embargo, a diferencia de los experimentos y simulaciones anteriores, cada celda inteligente comenzó operando con un ciclo de trabajo de 0,5. Corregir el desajuste en los ciclos de trabajo se convirtió en el papel del controlador del EDC para garantizar que las tres celdas inteligentes se descarguen de manera proporcional a su capacidad.

Durante el funcionamiento, el controlador del EDC estima el voltaje promedio de la cadena calculando la diferencia de niveles como se describe en la sección anterior "Diseño del controlador del EDC". La Fig. 10 muestra cómo los voltajes de las celdas y los ciclos de trabajo evolucionaron con el tiempo durante el experimento.

Como se muestra en la Fig. 10, los ciclos de trabajo varían bastante durante el funcionamiento. Esto se debe al funcionamiento del controlador del EDC, que intenta obtener información de voltaje precisa de la cadena de celdas inteligentes de conmutación. Dado que el controlador se basa en la medición de la diferencia entre los niveles para medir el voltaje promedio de la cadena, hay momentos durante el funcionamiento donde estos niveles no existen, por ejemplo, cuando todos los ciclos de trabajo se suman a un número entero positivo. Por lo tanto, para contrarrestar esta posibilidad, si una celda detecta que no ha podido medir el voltaje de la cadena durante más de 2,5 minutos (aunque se apreciará que este es un tiempo de ejemplo no limitativo), la misma aumenta o disminuye su ciclo de trabajo en una cantidad fija. Esto introducirá niveles en el voltaje medido a través deLsc,y las celdas podrán medir la forma de onda promedio de la cadena. Esto es exactamente lo que está sucediendo desde aproximadamente 75 minutos hasta 200 minutos en los resultados experimentales de la Fig. 10. La celda 001 está modificando su ciclo de trabajo para obtener una mejor medición de cadena. Como resultado, el Controlador de EDC genera "Etapas" en el ciclo de trabajo cuando no se puede obtener una medición de voltaje de cadena promedio.

Debido a la limitada resolución de muestreo del convertidor de analógico a digital, cada celda implementa una zona muerta de ±10 mV alrededor de su voltaje de referencia.

Al final del experimento, las celdas se dejaron reposar durante 10 minutos y se midieron sus voltajes. Los resultados se presentan en la Tabla III, y todos están dentro de los 50 mV entre sí. Este es un resultado muy bueno teniendo en cuenta que no hay comunicación entre ninguna de las celdas inteligentes. Además, si el controlador del EDC no estuviera funcionando, el desequilibrio de la cadena habría sido mucho mayor como se muestra en la Fig. 11, donde la celda de capacidad más pequeña se descarga en alrededor de 450 minutos, lo que limita claramente el rendimiento del paquete en comparación con el caso controlado por el EDC.

Tabla III: Voltajes de celda al final del experimento del controlador del EDC después de 10 minutos de reposo.

Por lo tanto, se apreciará que aquí se ha descrito un sistema de gestión de baterías completamente descentralizado, basado en el concepto de una celda inteligente. La celda inteligente se construyó alrededor de (1) un controlador de fase, que sincronizó todas las acciones de conmutación de las celdas para minimizar la ondulación del voltaje de salida, y (2) un controlador del EDC que ajustó el ciclo de trabajo de la celda inteligente local para sincronizar el voltaje de la celda local con el voltaje de paquete y, por lo tanto, su estado de carga.

En los sistemas descritos aquí, el voltaje a través del inductor de filtrado se midió para producir los estados de conmutación y el estado promedio de carga del sistema. Si bien la descripción anterior se centra en la sincronización de los estados de carga de una cadena en serie de celdas inteligentes, las técnicas descritas aquí tienen aplicaciones en muchas otras áreas.

Por ejemplo, como se presenta aquí, se ha demostrado que el concepto de celda inteligente funciona a nivel de celda. Sin embargo, el mismo controlador descentralizado se puede emplear a niveles de energía más altos para dividir una serie de celdas de batería en paquetes en lugar de celdas individuales.

La celda inteligente puede incluir la implementación de un sistema completo de gestión de la batería a nivel de celda, donde el estado de salud y el estado de carga son gestionados por el controlador descentralizado. En particular, el controlador del EDC se puede aumentar con un modelo de batería para mejorar su rendimiento.

Finalmente, algunas de las técnicas de sincronización de fase presentadas aquí se pueden usar para crear convertidores del CMM completamente descentralizados. Usando una simple modificación de multiplicar (7) por -1, las celdas inteligentes pueden diseñarse para sincronizar sus acciones de conmutación para producir formas de onda de salida sinusoidales como se representa en la Fig. 12.

Más específicamente, la Fig. 12 muestra una captura de pantalla del osciloscopio de las tres celdas inteligentes que funcionan con conmutación sincronizada, con un promedio aplicado con 8 muestras. El canal 2 (traza superior) es el voltaje a través deLscde la primera celda inteligente con una capacidad de C1. El canal 2 (traza media), es la ondulación del voltaje de salida. El canal 3 (traza inferior) es la corriente en los inductores de celda inteligente.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una celda inteligente (21), comprendiendo:

un terminal positivo (28);

un terminal negativo (27);

un circuito de conmutación (22) que está dispuesto para seleccionar entre un primer estado de conmutación donde un dispositivo de almacenamiento de energía (26) está conectado entre el terminal positivo (28) y el terminal negativo (27) y un segundo estado de conmutación que se desvía de dicho dispositivo de almacenamiento de energía (26);

un inductor (24) proporcionado entre el terminal positivo (28) y el terminal negativo (27); y

un controlador (23) dispuesto para monitorear el voltaje a través del inductor (24), donde el controlador (23) está dispuesto para controlar un ciclo de trabajo del circuito de conmutación (22) y caracterizado porque el controlador (23) está dispuesto para controlar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación (22) según las magnitudes de los cambios de voltaje detectados a través del inductor (24).

2. Una celda inteligente (21) según la reivindicación 1, donde el controlador (23) está dispuesto para controlar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación (22) según las magnitudes de los cambios de voltaje detectados en el inductor (24) y un valor representativo de un estado de carga actual del dispositivo de almacenamiento de energía (26).

3. Una celda inteligente (21) según la reivindicación 1 o 2, donde la celda inteligente está dispuesta para conectarse en serie o en paralelo con al menos un dispositivo de almacenamiento de energía, y donde el controlador (23) está dispuesto para calcular un valor representativo de un estado de carga promedio de todos los dispositivos de almacenamiento de energía conectados en serie o en paralelo con la celda inteligente (21);

opcionalmente, donde dicho valor representativo del estado de carga promedio es una magnitud promedio de los cambios de voltaje detectados a través del inductor (24).

4. Una celda inteligente (21) según la reivindicación 3, donde el controlador (23) está dispuesto para controlar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación (22) para sincronizar el estado de carga del dispositivo de almacenamiento de energía (26) con el valor calculado representativo del estado de carga promedio;

opcionalmente, donde el controlador (23) está configurado para controlar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación (22) con un controlador proporcional-integral.

5. Una celda inteligente (21) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho inductor (24) está en serie con dicho circuito de conmutación (22).

6. Una celda inteligente (21) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el controlador (23) está dispuesto para ajustar la temporización de conmutación del circuito de conmutación (22) según dicho voltaje de inductor.

7. Una celda inteligente según la reivindicación 6, donde el controlador (23) está dispuesto para determinar, según dicho voltaje de inductor, una temporización deseada para el circuito de conmutación (22) que minimiza el impacto en la ondulación de voltaje y está dispuesto para ajustar la temporización de conmutación para el circuito de conmutación (22) hacia la temporización deseada;

opcionalmente, donde el controlador (23) está dispuesto para ajustar la temporización a una velocidad proporcional al ciclo de trabajo del circuito de conmutación (22).

8. Una celda inteligente (21) según la reivindicación 7, donde el controlador (23) está dispuesto para ajustar los tiempos de conmutación mediante el ajuste del período de conmutación de la celda inteligente (21) y/o donde el controlador (23) está dispuesto para ajustar los tiempos de conmutación mediante el ajuste de los tiempos de conmutación a una velocidad proporcional al ciclo de trabajo del circuito de conmutación (22) de la celda inteligente (21).

9. Una celda inteligente (21) según la reivindicación 7 u 8, donde el controlador (23) comprende un controlador de fase de conmutación dispuesto para ajustar la temporización de conmutación del circuito de conmutación (22) en un primer bucle de control y un controlador de estado de carga dispuesto para ajustar el ciclo de trabajo del circuito de conmutación (22) en un segundo bucle de control;

opcionalmente, donde el primer bucle de control está configurado para funcionar a una velocidad mayor que el segundo bucle de control, preferentemente al menos 10 veces la velocidad, al menos 20 veces la velocidad, al menos 50 veces la velocidad o al menos 100 veces la velocidad.

10. Una celda inteligente (21) según la reivindicación 9, donde el controlador de estado de carga está configurado de tal manera que dicho controlador de estado de carga no modificará el ciclo de trabajo hasta que el controlador de fase de conmutación haya alcanzado una condición de estado estable.

11. Un sistema de celdas inteligentes (25) comprendiendo una pluralidad de celdas inteligentes (21) según cualquier reivindicación anterior, estando dichas celdas inteligentes (21) conectadas en serie;

opcionalmente, donde dicha pluralidad de celdas inteligentes (21) forma un convertidor multinivel; comprendiendo además opcionalmente una pluralidad de convertidores multinivel en paralelo.

12. Un procedimiento para controlar una celda inteligente (21) dentro de un sistema multicelda (25), comprendiendo la celda inteligente (21) un inductor (24) proporcionado entre un terminal positivo (28) y un terminal negativo (27), comprendiendo el procedimiento:

detectar cambios de voltaje a través del inductor (24); y

ajustar un ciclo de trabajo de la celda inteligente (21), caracterizado porque dicho ajuste del ciclo de trabajo se basa en las magnitudes de los cambios de voltaje detectados en el inductor (24).

13. Un procedimiento según la reivindicación 12, comprendiendo además:

analizar las magnitudes de dichos cambios de voltaje detectados para determinar los estados de carga de otras celdas inteligentes en el sistema multicelda; y

donde ajustar el ciclo de trabajo de la celda inteligente (21) comprende sincronizar un estado de carga de la celda inteligente (21) con un estado de carga promedio de otras celdas inteligentes en el sistema multicelda (25).

14. Un procedimiento según la reivindicación 13, donde el estado de carga promedio de otras celdas inteligentes en el sistema multicelda se calcula a partir de una magnitud promedio de los cambios de voltaje detectados a través del inductor (24).

15. Un procedimiento según la reivindicación 13 o 14, donde cuando la etapa de análisis no determina los estados de carga de todas las demás celdas inteligentes en el sistema multicelda, se ajusta el ciclo de trabajo de la celda inteligente (21).