FR2724501A1

FR2724501A1 - LOAD EQUALIZER APPARATUS FOR BATTERIES CONNECTED IN SERIES

Info

Publication number: FR2724501A1
Application number: FR9510536A
Authority: FR
Inventors: David R Pacholok; David T Fouchard; Walter B Ebner
Original assignee: Rayovac Corp; Ray O Vac Corp
Current assignee: Spectrum Brands Inc
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1995-09-08
Publication date: 1996-03-15
Also published as: CA2157814A1; DE19533542A1; GB2293059A; GB9518261D0

Abstract

La présente invention concerne un appareil égaliseur pour égaliser la charge d'au moins deux batteries unitaires, ayant des bornes positives et négatives, connectées en série. Cet appareil est caractérisé en ce qu'il comprend: a) un condensateur (20) ayant des première et seconde bornes; b) une paire de dispositifs de commutation commandables (21, 23; 22, 24) pour chaque batterie unitaire (11, 12), un dispositif de commutation de la paire étant connecté entre une borne positive de chaque batterie unitaire (11, 12) et la première borne du condensateur (20) tandis que l'autre dispositif de commutation de la paire est connecté entre une borne négative de la batterie unitaire et la seconde borne du condensateur (20); et c) un moyen de commande (25) connecté aux dispositifs de commutation de manière à fournir un signal de commande à chaque dispositif de commutation (21-24).The present invention relates to an equalizer apparatus for equalizing the charge of at least two unit batteries, having positive and negative terminals, connected in series. This apparatus is characterized in that it comprises: a) a capacitor (20) having first and second terminals; b) a pair of controllable switching devices (21, 23; 22, 24) for each unit battery (11, 12), one switching device of the pair being connected between a positive terminal of each unit battery (11, 12) and the first terminal of the capacitor (20) while the other switching device of the pair is connected between a negative terminal of the unit battery and the second terminal of the capacitor (20); and c) control means (25) connected to the switching devices so as to provide a control signal to each switching device (21-24).

Description

l La présente invention concerne d'une manière generale le domaine de laThe present invention relates generally to the field of

charge descharge of

batteries et plus particulièrement la charge de batteries multiples connectées en série. batteries and more particularly the charging of multiple batteries connected in series.

Chaque type de batterie electrochirmque a une tension caractéristique de "pleine charge". Une tension plus basse de la batterie indique un état de charge inférieur à la charge totale. Pour obtenir une tension plus élevée que celle fournie par une batterie unique, les batteries sont connectées en série, souvent avec des connexions internes ou intégrales entre les batteries, de manière a former un groupe de batteries avant le niveau désiré de tension de sortie. Certains types de batteries électrochimiques, telles que les batteries alcalines rechargeables au manganèse, les battenries au lithium et les batteries a ion lithium ne comportent pas un mécanisme de contrôle de la charge interne. Par conséquent, si la charge de telles batteries n'est pas surveillée avec soin, il peut en résulter une surcharge qui peut provoquer des modifications irréversibles de la chimie de la batterie, des pertes de performance et, dans des cas extrêmes une mise à l'air libre de la Each type of electrochemical battery has a characteristic voltage of "full charge". A lower voltage of the battery indicates a state of charge lower than the total charge. To obtain a higher voltage than that provided by a single battery, the batteries are connected in series, often with internal or integral connections between the batteries, so as to form a group of batteries before the desired level of output voltage. Certain types of electrochemical batteries, such as manganese rechargeable alkaline batteries, lithium battenries and lithium ion batteries do not have an internal charge control mechanism. Therefore, if the charge of such batteries is not carefully monitored, this can lead to overcharging which can lead to irreversible changes in battery chemistry, performance losses and, in extreme cases, a loss of power. free air

batterie. La charge de batteries de ce type connectées en série est par conséquent difficile. drums. The charging of batteries of this type connected in series is therefore difficult.

Puisque les tensions et les capacités des batteries individuelles peuvent ne pas être égales, la charge de la totalité de la série de batteries connectées peut se traduire par le fait que certaines Since the voltages and capacities of individual batteries may not be equal, charging the entire series of connected batteries may result in some

batteries sont surchargées.batteries are overcharged.

Pour résoudre ce problème, on a développé des appareils égaliseurs qui surveillent la tension aux bornes de chaque batterie et qui connectent des résistances ou des puits de courant aux bornes de la ou des batteries avant une tension excessive, afin de décharger partiellement la batterie et d'obtenir ainsi une égalisation de la charge entre les batteries. Cependant, l'égalisation de la charge entre batteries réalisée de cette façon entraîne un gaspillage d'énergie et provoque egalernent un chauffage indésirable du groupe de batteries puisque le circuit d'égalisation est logé physiquement, d'une manière typique, dans l'enveloppe des batteries. En outre, la vitesse à laquelle les batteries peuvent être égalisées et par conséquent celle à laquelle les batteries peuvent To solve this problem, equalizing devices have been developed that monitor the voltage across each battery and connect resistors or power sinks to the terminals of the battery (s) before excessive voltage, in order to partially discharge the battery. thus obtaining an equalization of the charge between the batteries. However, the equalization of the battery charge performed in this manner results in wasted energy and also causes undesirable heating of the battery pack since the equalization circuit is physically housed, typically, in the envelope. batteries. In addition, the speed at which the batteries can be equalized and therefore the speed at which the batteries can

être rechargées est limitée a la grandeur de la dissipation d'énergie qui peut être tolérée. recharging is limited to the amount of energy dissipation that can be tolerated.

L'égalisation de la charge de batteries multiples connectées en série est effectuée, Equalization of the charge of multiple batteries connected in series is performed,

suivant la présente invention, rapidement et pratiquement sans dissipation inutile d'énergie. according to the present invention, quickly and practically without unnecessary dissipation of energy.

L'égalisation est effectuée automatiquement sans exiger une comparaison des tensions aux bornes des batteries individuelles (batteries unitaires) et elle peut être et est de préférence exécutée pendant la charge des batteries unitaires. En outre, la présente invention assure un passage d'un courant de crête vers une batterie unitaire proportionnellement a la différence des tensions entre les batteries unitaires. L'énergie est transféree de cette facçon a partir de la batterie unitaire la plus The equalization is performed automatically without requiring a comparison of the voltages at the terminals of the individual batteries (unit batteries) and it can be and is preferably performed during the charging of the unit batteries. In addition, the present invention provides a passage of a peak current to a unitary battery in proportion to the difference in voltages between the unit batteries. Energy is transferred this way from the most unitary battery

fortement chargée vers la ou les battenries unitaires avant une charge moindre. heavily loaded towards the unitary battenries before a lesser charge.

L'appareil égaliseur suivant la présente invention comporte un condensateur qui peut être connecté sélectivement et d'une manière séquentielle en parallèle avec chaque batterie unitaire. Des paires de dispositifs de commutation commandables sont connectés à chaque batterie unitaire et au condensateur. un dispositif de commutation dans chaque paire étant connecté en série entre la borne positive de chaque battenrie unitaire et une borne du condensateur tandis que l'autre dispositif de commutation est connecté entre la borne négative de chaque batterie unitaire et l'autre borne du condensateur. Un dispositif de commande est connecté aux dispositifs de commutation de manière à fournir des signaux de commande aux paires de dispositifs de commutation associées aux battenries unitaires. Les signaux de commande commutent chaque paire de dispositifs de commutation à l'état conducteur et à l'état non conducteur, suivant une séquence, de telle façon qu'à un instant quelconque une seule batterie unitaire soit connectée aux bornes du condensateur. Un chargeur de batterie séparé peut fournir simnultanément un courant de charge aux batteries unitaires connectées en série pendant The equalizer apparatus according to the present invention comprises a capacitor which can be connected selectively and sequentially in parallel with each unitary battery. Pairs of controllable switching devices are connected to each unit battery and the capacitor. a switching device in each pair being connected in series between the positive terminal of each unit battenrie and one terminal of the capacitor while the other switching device is connected between the negative terminal of each unit battery and the other terminal of the capacitor. A controller is connected to the switching devices to provide control signals to pairs of switching devices associated with the unit battenries. The control signals switch each pair of switching devices to the conductive state and the non-conductive state, in a sequence, such that at any time a single unit battery is connected across the capacitor. A separate battery charger can simultaneously provide a charging current to the unit batteries connected in series for

l'opération d'égalisation.the equalization operation.

L'appareil égaliseur suivant la présente invention peut être utilisé pour égaliser la tension d'au moins deux batteries connectées en seérie. Si seules deux batteries doivent être égalisées, l'appareil de commande peut être réalisé matériellement sous la forme d'un oscillateur The equalizer apparatus according to the present invention can be used to equalize the voltage of at least two batteries connected in series. If only two batteries need to be equalized, the control unit can be physically constructed as an oscillator

avant deux sorties complémentaires connectées aux deux paires de dispositifs de commntation. before two complementary outputs connected to the two pairs of communication devices.

Pendant une denumi-periode de l'oscillateur, la batterie unitaire la plus fortement chargée est ainsi connectée aux bornes du condensateur et ce condensateur est chargé au niveau de tension de cette batterie unitaire. Pendant l'autre moitié de chaque période de l'oscillateur, la batterie unitaire moins chargée est connectée aux bornes du condensateur et pendant cette demi-période, le condensateur précédemment chargé se décharge dans la batterie unitaire moins chargée. De cette façon de l'énergie est transférée a partir de la batterie unitaire la plus fortement chargée vers la batterie unitaire moins chargée. L'effet d'égalisation est obtenu pour plus de deux batteries unitaires en utilisant un dispositif de commande qui branche successivement chaque batterie During a period of time of the oscillator, the most highly charged unit battery is thus connected to the terminals of the capacitor and this capacitor is charged to the voltage level of this unitary battery. During the other half of each oscillator period, the less charged unit battery is connected across the capacitor and during this half period the previously charged capacitor discharges into the less charged unit battery. In this way energy is transferred from the most heavily charged unit battery to the less charged unit battery. The equalization effect is obtained for more than two unit batteries by using a control device that successively connects each battery

unitaire aux bornes du condensateur. unitary across the capacitor.

Etant donne que la commande du transfert d'énergie est exécutée par des éléments de commutation qui sont soit conducteurs soit non conducteurs, une très faible perte d'énergie apparaît dans le circuit d'égalisation et il se produit un très faible chauffage des composants. Par conséquent, l'égalisation peut être effectuée a une vitesse tres rapide comparativement aux circuits d'égalisation traditionnels, et cette égalisation est exécutée avec un rendement en énergie élevé. Etant donné que le transfert d'énergie à partir de la batterie unitaire la plus fortement chargée vers une batterie unitaire moins chargée est effectué automatiquement par le fonctionnement inhérent du circuit, aucun circuit comparateur de tension complexe n'est exige, ce qui réduit au minimum la complexité et le coût du circuit. En outre, étant donné qu'aucune mesure de tension ne doit être effectuée, la présente invention fonctionne sans tenir compte de la température et il n'est exigé aucune compensation des variations de température pouvant se Since control of the energy transfer is performed by switching elements which are either conductive or non-conductive, very little energy loss occurs in the equalization circuit and very little heating of the components occurs. Therefore, the equalization can be performed at a very fast speed compared to traditional equalization circuits, and this equalization is performed with high energy efficiency. Since the transfer of energy from the most heavily charged unit battery to a less charged unit battery is done automatically by the inherent operation of the circuit, no complex voltage comparator circuit is required, which minimizes the complexity and the cost of the circuit. Furthermore, since no voltage measurement needs to be performed, the present invention operates without regard to temperature and no compensation for temperature variations is required.

traduire par des variations des tensions des batteries unitaires. translate by variations of the voltages of the unit batteries.

Les buts, caractéristiques et avantages de la présente invention, ainsi que d'autres, The aims, features and advantages of the present invention, as well as others,

apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée, qui va suivre, de formes appear more clearly on reading the detailed description, which will follow, of forms

d'exécution préférées de l'invention, telles qu'illustrées sur les dessins annexes. Preferred embodiments of the invention, as illustrated in the accompanying drawings.

Sur les dessins: La figure I est un schéma synoptique de l'appareil égaliseur suivant la présente invention connecté de marnière à assurer l'égalisation de deux batteries unitaires, connectées en In the drawings: FIG. 1 is a block diagram of the equalizer apparatus according to the present invention connected to enable the equalization of two individual batteries, connected in

série, en train d'être chargées.series, being loaded.

La figure 2 est un schéma électnrique d'un appareil égaliseur suivant la présente FIG. 2 is an electrical diagram of an equalizer apparatus according to the present

invention assurant l'égalisation de la charge de deux batteries unitaires. invention ensuring the equalization of the load of two single batteries.

La figure 3 est un schéma électrique d'un circuit de commande destiné à fournir des FIG. 3 is a circuit diagram of a control circuit intended to provide

signaux de commande pour les dispositifs de commutation de l'appareil égaliseur. control signals for the switching devices of the equalizer apparatus.

Si on se réfèere aux dessins, on voit que la figure I représente un schéma synoptique d'un système de charge qui comporte l'appareil égaliseur 10 suivant la présente invention connecté à deux batteries unitaires électrochimuques 11 et 12 branchées en série. Les batteries unitaires 11 et 12 peuvent être constituées par différents types de batteries électrochimniques telles que des batteries à ion lithium, des batteries à lithium rechargeables et des batteries au manganèse alcalines rechargeables du type couramment utilisé par exemple dans les téléphones cellulaires, les enregistreurs et les magnetoscopes à bande vidéo, les appareils photographiques, les outils Referring to the drawings, it will be seen that FIG. 1 shows a block diagram of a charging system that includes the equalizer apparatus 10 according to the present invention connected to two electrochemical unit batteries 11 and 12 connected in series. The unit batteries 11 and 12 may be constituted by different types of electrochemical batteries such as lithium ion batteries, rechargeable lithium batteries and rechargeable alkaline manganese batteries of the type commonly used for example in cell phones, recorders and video recorders. video tape recorders, cameras, tools

électriques sans fil. les équipements de communication portables, les véhicules électriques, etc.... wireless electric. portable communication equipment, electric vehicles, etc.

Bien que le problème soit le plus aigu pour l'égalisation de la charge de batteries individuelles de ce type connectées en série, les batteries unitaires 1I1 et 12 peuvent être constituées par des groupes de batteries connectées intérieurement ou extérieurement et pour lesquels il existe une exigence d'une égalisation appropriéne de la charge aux bornes des diverses batteries unitaires séparables. Telle qu'elle est utilisée présentement, l'expression "batterie unitaire" est destinée à désigner a la fois des batteries individuelles et des groupes de batteries connectées entre elles intéreneurement ou extérieurement. Le système de charge illustratif représenté sur la figure I comporte un chargeur 14 qui produit un courant de charge Ic sur des lignes de connexion 15 et 16, ce courant de charge Ic passant en série à travers les batteries 11 et 12. Le chargeur 14 peut être d'un type quelconque de chargeur traditionnel incluant les chargeurs à courant constant, à tension constante et de maintien, lesquels sont bien connus dans la technique. La tension de sortie Although the problem is most acute for the equalization of the charging of individual batteries of this type connected in series, the unit batteries 1I1 and 12 can be constituted by groups of batteries connected internally or externally and for which there is a requirement appropriate equalization of the load across the various separable unitary batteries. As used herein, the term "unitary battery" is intended to refer to both individual batteries and groups of batteries connected to each other internally or externally. The illustrative charging system shown in FIG. I comprises a charger 14 which produces a charging current Ic on connection lines 15 and 16, this charging current Ic passing in series through the batteries 11 and 12. The charger 14 can be of any type of conventional charger including constant current, constant voltage, and sustain loaders, which are well known in the art. The output voltage

Vc du chargeur 14 est appliquée aux bornes des batteries unitaires 11 et 12 connectées en série. Vc of the charger 14 is applied to the terminals of the unit batteries 11 and 12 connected in series.

Une ligne de connexion 17 s'étend a partir de l'appareil égaliseur 10 jusqu'à la borne positive de la batterie unitaire 11 et une ligne de connexion 18 s'étend à partir de l'appareil égaliseur 10 jusqu'à la borne négative de la batterie unitaire 11 et à la borne positive de la batterie unitaire 12. Une autre ligne de connexion 19 s'étend à partir de l'appareil égaliseur 10 jusqu'à la borne négative de la batterie unitaire 12. Bien que l'appareil égaliseur 10 soit connecté effectivement en parallèle avec les batteries unitaires 11 et 12. aux bornes du chargeur 14, il ne soutire pratiquement aucune énergie à partir du chargeur. On comprendra que l'appareil égaliseur 10 peut fonctionner, si on le désire, lorsque le chargeur 14 n'est pas en train de charger les batteries unitaires. Ainsi qu'il sera décnrit d'une façon plus détaillée plus loin. l'appareil égaliseur 10 peut être mnis en service A connection line 17 extends from the equalizer apparatus 10 to the positive terminal of the unitary battery 11 and a connection line 18 extends from the equalizer apparatus 10 to the negative terminal of the unitary battery 11 and the positive terminal of the unitary battery 12. Another connection line 19 extends from the equalizer apparatus 10 to the negative terminal of the unitary battery 12. Although the apparatus EQ 10 is effectively connected in parallel with the unit batteries 11 and 12. across the charger 14, it draws virtually no energy from the charger. It will be appreciated that the equalizer apparatus 10 may operate, if desired, when the charger 14 is not charging the unit batteries. As will be described in more detail below. the equalizer apparatus 10 may be in use

automatiquement lorsque le chargeur 14 fournit un courant aux batteries unitaires 11 et 12. automatically when the charger 14 supplies power to the unit batteries 11 and 12.

Un schéma électrique d'une forme d'exécution de l'appareil égaliseur 10 pour alimenter les deux batteries unitaires 11 et 12 est représenté sur la figure 2. L'appareil égaliseur 10 comporte un condensateur 20. deux paires de dispositifs de commutation commandables 21 et 23, et 22 et 24 et un appareil de commande des dispositifs de commutation réalisé sous la forme d'un oscillateur 25. Dans le cas d'une application typique avec des batteries unitaires ayant des mniveaux de tension nominale de 3 volts chacune, un condensateur de 100 microfiarads (gF) d'une A circuit diagram of one embodiment of the equalizer apparatus 10 for powering the two unit batteries 11 and 12 is shown in FIG. 2. The equalizer apparatus 10 includes a capacitor 20. two pairs of controllable switching devices 21 and 23, and 22 and 24 and a switching device control apparatus embodied as an oscillator 25. In the case of a typical application with unit batteries having nominal voltage levels of 3 volts each, a condenser of 100 microfiarads (gF) of a

tension nominale de 10 volts peut être utilisé. Les dispositifs de commutation commandables 21- nominal voltage of 10 volts can be used. Controllable switching devices 21-

24 doivent être capables de laisser passer un courant dans les deux directions à travers le dispositif et ils doivent être capables de bloquer une tension dans la direction inverse lorsque les dispositifs sont mis a l'état non conducteur. Par conséquent, des interrupteurs de puissance MOSFET traditionnels qui ont leurs diodes corps-source connectées intérieurement, ne peuvent pas être utilises a moins que les interrupteurs MOSFET ne soient modifiés pour déconnecter les diodes de corps. D'autres types d'interrupteurs. aussi bien mécaniques que sous forme de circuits intégrés, peuvent être utilisés lorsque cela est approprié, par exemple des interrupteurs à lames 24 must be able to pass current in both directions through the device and they must be capable of blocking a voltage in the reverse direction when the devices are turned off. Therefore, traditional MOSFET power switches that have their body-source diodes connected internally can not be used unless the MOSFET switches are modified to disconnect the body diodes. Other types of switches. both mechanically and in the form of integrated circuits, may be used where appropriate, for example blade switches

scellées, des transistors à effet de champ a jonction symétrique ou d'autres dispositifs semni- sealed, symmetrical junction field effect transistors or other semiconductor devices

conducteurs bidirectionnels. ainsi que des combinaisons appropriénes de dispositifs tels que des transistors bipolaires a électrode de commande isolée, des thvristors a gâchette, des transistors de puissance bipolaires etc.... Les dispositifs de commutation sont commandés, de manière à être commutés entre un état conducteur et un état non conducteur, par un signal de commande appliqué à une entrée de commande de chaque dispositif. Les paires de dispositifs de commutation connectent sélectivement chaque batterie unitaire 1 et 12 en parallèle avec le condensateur 20. Le dispositif de commutation 21 est connecté entre la borne positive de la bidirectional drivers. as well as appropriate combinations of devices such as insulated control electrode bipolar transistors, gate triggers, bipolar power transistors, etc. The switching devices are controlled so as to be switched between a conductive state and a non-conductive state, by a control signal applied to a control input of each device. The pairs of switching devices selectively connect each unit battery 1 and 12 in parallel with the capacitor 20. The switching device 21 is connected between the positive terminal of the

batterie unitaire 11 et une première borne (par exemple la borne "positive") du condensateur 20. unitary battery 11 and a first terminal (for example the "positive" terminal) of the capacitor 20.

Le dispositif de commutation 23 est connecté entre la seconde borne du condensateur 20 et la borne négative de la battenrie unitaire 11. De la même façon, le dispositif de commutation 22 est connecté entre la borne positive de la batterie unitaire 12 (qui est également connectée à la borne négative de la batterie unitaire 11) et la première borne du condensateur 20. Le dispositif de commutation 24 est connecté entre la seconde borne du condensateur 20 et la borne négative de la batterie unitaire 12 (laquelle est connectée. dans ce cas, a la masse). L'oscillateur 25 délivre deux signaux de commande S et S (qui est le complément de S). Les signaux de commande sont de préférence des fonctions d'ondes rectangulaires telles que S est au niveau HAUT lorsque S est au The switching device 23 is connected between the second terminal of the capacitor 20 and the negative terminal of the unit battenie 11. In the same way, the switching device 22 is connected between the positive terminal of the unitary battery 12 (which is also connected at the negative terminal of the unitary battery 11) and the first terminal of the capacitor 20. The switching device 24 is connected between the second terminal of the capacitor 20 and the negative terminal of the unitary battery 12 (which is connected in this case. to the mass). The oscillator 25 delivers two control signals S and S (which is the complement of S). The control signals are preferably rectangular wave functions such that S is HIGH when S is at

niveau BAS, et S est au niveau BAS lorsque S est au niveau HAUT, avec des durées de demi- BAS level, and S is at the LOW level when S is at the HIGH level, with half-times

période égales. Le signal de commande S est appliqué, sur des lignes 27, aux électrodes de commande des dispositifs de commutation 21 et 23 associés a la batterie unitaire 11. Le signal S est délivré. sur des lignes 28. aux électrodes de commande des dispositifs de commutation 22 et equal period. The control signal S is applied, on lines 27, to the control electrodes of the switching devices 21 and 23 associated with the unitary battery 11. The signal S is delivered. on lines 28. to the control electrodes of the switching devices 22 and

24 associés à la battenrie unitaire 12. 24 associated with unitary battalion 12.

L'appareil egaliseur de charge 10 fonctionne de la manière suivante. Pendant la premièmere moitié d'une période de l'oscillateur. le signal de commande S est HAUT tandis que le signal de commande S est BAS. Pendant cette demi-période, les dispositifs de commutation 22 et The load equalizer apparatus 10 operates in the following manner. During the first half of a period of the oscillator. the control signal S is HIGH while the control signal S is LOW. During this half-period, the switching devices 22 and

24 sont mris à l'état non conducteur et la batterie unitaire 12 est déconnectée du condensateur 20. 24 are set in the non-conductive state and the unit battery 12 is disconnected from the capacitor 20.

Simultanément les dispositifs de commutation 21 et 23 sont mis à l'état conducteur et la batterie unitaire 11 est connectée aux bornes du condensateur 20. Ce condensateur 20 est ainsi chargé (ou décharge) jusqu'au niveau de tension de la batterie unitaire 11. Pendant la demipériode suivante, le signal de commande S est BAS tandis que le signal de commande S est HAUT. Ainsi, pendant cette derni-pénriode, les dispositifs de commutation 21 et 23 sont mis a l'état non conducteur, en déconnectant la batterie unitaire 11 du condensateur 20. Simultanément les dispositifs de conummutation 22 et 24 sont mis a l'état conducteur, en connectant la batterie unitaire 12 aux bornes du condensateur 20. Si la batterie unitaire 11 est plus fortement chargée que la batterie unitaire 12, le condensateur 20, ayant été chargé au niveau de la tension de la batterie unitaire 11 au cours de la demi- période précédente, se trouve avoir une tension plus élevée que celle de la batterie unitaire 12 et il se décharge dans cette battenrie unitaire 12, en chargeant celle-ci. Si la batterie unitaire 12 est à un niveau de tension plus élevé que celui de la batterie unitaire 11, le condensateur 20 a une tension inférieure à celle de la batterie unitaire 12 et il se charge alors au niveau de la tension de cette battenrie unitaire 12 et, au cours de la demi-période suivante de l'oscillateur, il se décharge dans la batterie unitaire 1 1l, en chargeant ainsi cette batterie unitaire I 1. Par conséquent, en commutant chacune des batteries unitaires 11 et 12 alternativement aux bornes du condensateur 20, de l'énergie est transférée à partir de la batterie unitaire la plus fortement chargée vers la batterie unitaire morns chargée. Lorsque les tensions des deux batteries unitaires s'approchent l'une de l'autre, le niveau du passage du courant vers et dans le condensateur et sortant de ce condensateur, pendant chaque demi-période de l'oscillateur, va en diminuant et devient pratiquement nul lorsque les deux batteries unitaires sont chargées d'une At the same time, the switching devices 21 and 23 are turned on and the unit battery 11 is connected to the terminals of the capacitor 20. This capacitor 20 is thus charged (or discharged) to the voltage level of the unitary battery 11. During the next half, the control signal S is LOW while the control signal S is HIGH. Thus, during this last period, the switching devices 21 and 23 are set to the non-conductive state by disconnecting the unitary battery 11 from the capacitor 20. At the same time, the switching devices 22 and 24 are turned on, by connecting the unitary battery 12 to the terminals of the capacitor 20. If the unitary battery 11 is more heavily charged than the unitary battery 12, the capacitor 20, having been charged at the level of the voltage of the unitary battery 11 during the half previous period, is found to have a higher voltage than that of the unit battery 12 and it discharges in this battenrie unit 12, by charging it. If the unitary battery 12 is at a higher voltage level than that of the unitary battery 11, the capacitor 20 has a voltage lower than that of the unitary battery 12 and it then charges at the voltage of this unit battenie 12 and, during the next half-period of the oscillator, it discharges into the unitary battery 11, thus charging this unit battery I 1. Therefore, by switching each of the unit batteries 11 and 12 alternately to the terminals of the capacitor 20, energy is transferred from the most heavily charged unit battery to the charged unit battery morns. When the voltages of the two unit batteries approach each other, the level of current flow to and in the capacitor and out of this capacitor, during each half-period of the oscillator, decreases and becomes practically zero when the two single batteries are charged with a

manière égale.equally.

L'oscillateur 25 peut être réalisé mateériellement de différentes fiçons en utilisant soit des circuits intégrés soit des composants discrets. Un exemple de réalisation matériel de l'oscillateur 25. pour l'excitation des électrodes de commanride des interrupteurs MOSFET utilisés en tant que dispositifs de commutation, est représente sur la figure 3. Une bascule de Schmitt inverseuse 30 est polarisée avec une résistance 31 et un condensateur 32 de manière a fonctionner en tant qu'oscillateur, en produisant un signal rectangulaire à une fréquence sélectionnée, par exemple de 500 Hz. La fréquence de comnmutation et la valeur du condensateur 20 sont choisies en se basant sur la résistance interne de chaque batterie unitaire et sur la résistance à l'état conducteur des dispositifs de commutation de telle façon que la constante de temps effective RC The oscillator 25 may be made of different material by using either integrated circuits or discrete components. An exemplary hardware embodiment of the oscillator 25 for the excitation of the control electrodes of the MOSFET switches used as switching devices is shown in FIG. 3. An inverting Schmitt flip-flop 30 is biased with a resistor 31 and a capacitor 32 to operate as an oscillator, producing a rectangular signal at a selected frequency, for example 500 Hz. The switching frequency and the value of the capacitor 20 are selected based on the internal resistance of each unitary battery and on the conductive resistance of the switching devices so that the effective time constant RC

permette pratiquement une charge ou une décharge totale du condensateur pendant chaque demi- virtually allows a charge or a total discharge of the capacitor during each half

période. Le signal rectangulaire provenant de la bascule de Schmitt 30 fournit le signal de commande S utilisé pour commander les dispositifs de commutation 22 et 24. Ce méme signal est également fourni à un second inverseur 33 dont la sortie est le signal de commande S utilisé pour commander les dispositifs de commutation 21 et 23. Puisque la tension de la source pour le dispositif de commutation 21, lorsque des interrupteurs MOSFET sont utilisés en tant que dispositifs de commutation, est basée sur la borne positive de la batterie unitaire 12 plus la tension aux bornes du condensateur 20. un doubleur de tension est utilise pour fournir une tension period. The rectangular signal from the Schmitt trigger 30 provides the control signal S used to control the switching devices 22 and 24. The same signal is also provided to a second inverter 33 whose output is the control signal S used to control the switching devices 21 and 23. Since the source voltage for the switching device 21, when MOSFET switches are used as switching devices, is based on the positive terminal of the unit battery 12 plus the terminal voltage. of the capacitor 20. a voltage doubler is used to provide a voltage

plus élevée d'excitation de l'électrode de commande pour les dispositifs de commutation 21 et 23. higher excitation of the control electrode for the switching devices 21 and 23.

Ce doublage de tension peut être réalisé matérenellement par un circuit doubleur de tension traditionnel constitué d'un inverseur 35 commuté entre la tension Vc (la tension aux bornes des This doubling voltage can be achieved materially by a traditional voltage doubler circuit consisting of an inverter 35 switched between the voltage Vc (the voltage across the terminals of

batteries 11 et 12) et la masse, de deux condensateurs 36 et 37 et de deux diodes 38 et 39. batteries 11 and 12) and the ground, two capacitors 36 and 37 and two diodes 38 and 39.

L'appareil égaliseur 10, tel que décrit précédemment, peut être aisément étendu de manière à égaliser la charge sur plus de deux batteries unitaires connectées en série. Une paire additionnelle de dispositifs de commutation est exigée pour chaque batterie unitaire supplémentaire devant être égalisée. Un dispositif de commutation de chaque paire est connecté entre la borne positive de la batterie unitaire et la première borne du condensateur 20 tandis que l'autre dispositif de commutation est connecté entre la borne négative de la batterie unitaire et la seconde borne du condensateur 20. Un dispositif de commande est utilisé pour commuter d'une manière séquentielle chaque paire de dispositifs de commutation, à l'état conducteur et à l'état non conducteur, pour chaque batterie unitaire de telle façon que chaque batterie unitaire soit connectée à son tour aux bornes du condensateur. Un tel dispositif de commande peut être réalisé maténriellement de diverses façons traditionnelles, tel que, par exemple, au moyen d'un oscillateur attaquant un compteur en anneau (ou compteur Johnson) ayant des sorties attaquant les The equalizer apparatus 10, as previously described, can be easily extended to equalize the load on more than two unit batteries connected in series. An additional pair of switching devices is required for each additional unitary battery to be equalized. A switching device of each pair is connected between the positive terminal of the unit battery and the first terminal of the capacitor 20 while the other switching device is connected between the negative terminal of the unit battery and the second terminal of the capacitor 20. A controller is used to sequentially switch each pair of switching devices, in the conductive state and the non-conductive state, for each unit battery such that each unit battery is connected in turn to the capacitor terminals. Such a control device can be realized materially in various traditional ways, such as, for example, by means of an oscillator driving a ring counter (or Johnson counter) having outputs attacking the

électrodes de commande de chaque paire de dispositifs de commutation. control electrodes of each pair of switching devices.

Si on le désire, la fréquence de commutation de la sortie de l'oscillateur 25 peut êtrc modifiée en fonction des besoins de l'égalisation. Par exemple la fréquence de commutation peut être l'un ou l'autre de deux niveaux à savoir une fréquence de commutation élevée pour fournir un courant d'égalisation élevé pendant la charge et une fréquence de commutation basse pour fournir un courant d'égalisation faible lorsque les batteries sont inactives, afin de compenser les If desired, the switching frequency of the output of the oscillator 25 may be varied according to the needs of the equalization. For example, the switching frequency can be either one of two levels, namely a high switching frequency to provide a high equalization current during charging and a low switching frequency to provide a low equalization current. when the batteries are inactive, to compensate for

différences des caractéristiques d'autodécharge des batteries individuelles. differences in self-discharge characteristics of individual batteries.

9 27245019 2724501

Claims

Equalizer apparatus for equalizing the charge of at least two unit batteries, having positive and negative terminals, connected in series, characterized in that it comprises: a) a capacitor (20) before first and second terminals; b) a pair of controllable switching devices (21,23; 22,24) for each unit battery (11,12), a switching device of the pair being connected between a positive terminal of each unit battery (11,12) and the first terminal of the capacitor (20) while the other switching device of the pair is connected between a negative terminal of the unit battery and the second terminal of the capacitor (20); and c) control means (25) connected to the switching devices for providing a control signal to each switching device (21-24) to switch each pair of switching devices to the conducting state and then to the switching device. non-conductive state, successively, at a selected switching frequency, such that a pair of switching devices (21,23) is in the conducting state while each other pair of switching devices (22,24) is in the non-conductive state, so that the capacitor (20) is sequentially charged by the unitary battenry (11,12) having the highest voltage and is discharged into a unit battery having a lower voltage in such a way that energy is transferred from a unitary battenry further charged to a battery

unit less loaded.

Equalizer apparatus according to Claim 1, characterized in that the switching devices (21-24) are MOSFET power switches which predominantly pass the current in one direction only when they are switched on. conductive state and having control electrodes, and in that the control means (25) is connected to apply the control signals to the control electrodes so as to sequentially pass each pair of MOSFET switches in the state

driver and in the non-conductive state.

Equalizer apparatus according to claim 2, characterized in that there are two unit batteries (11,12) and the control means (25) includes an oscillator which provides complementary rectangular wave output signals applied to the control electrodes. of

each of the two pairs of MOSFETs (21,23; 22,24).

Equalizer apparatus according to claim 3, characterized in that it comprises means for providing the control signal to a pair of MOSFET switches with a peak voltage approximately double that of the control signal supplied to the other pair.

of MOSFET switches.

Equalizer apparatus according to Claim 1, characterized in that it is used in combination with a battery charger (14) connected to supply a current of

charge to the serial combination of unit batteries (11,12).

6. A method of equalizing a load on at least two series connected batteries, characterized in that it comprises the steps of: a) providing a capacitor (20); b) sequentially connecting each unitary battery to the capacitor terminals so that the capacitor is charged to the voltage of the most heavily charged unit battery and discharged into a less charged unit battery, and repeat the step of sequential connection of each unit battenrie across the capacitor of

to equalize the charge on the unit batteries.

7. The method of claim 6 characterized in that it comprises the additional step of providing a charging current through the connected unit batteries.

in Serbia.