PT106681A

PT106681A - ELECTRONIC CONVERTER SWITCHED FOR BATTERY CELL BALANCE STATUS BALANCE

Info

Publication number: PT106681A
Application number: PT106681A
Authority: PT
Inventors: José Fernando Alves Da Silva; Samir Aziz Akbarali
Original assignee: Inst Superior Técnico
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-04
Also published as: PT106681B

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO CONSISTE NUM CONVERSOR ELETRÓNICO COMUTADO PARA EQUILIBRAR O ESTADO DE CARGA DE N CÉLULAS EM SÉRIE (1), (2), (3), (4), NUMA BATERIA. O CONVERSOR CONTÉM UMA BOBINA (5), 2(N+1) INTERRUPTORES ELETRÓNICOS (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15), CADA UM TENDO UM SEMICONDUTOR COMANDADO (6A), (7A), (8A), (9A), (10A), (11A), (12A), (13A), (14A), (15A), (TRANSÍSTOR BIPOLAR DE PORTA ISOLADA, TRANSÍSTOR DE PORTA ISOLADA METAL ÓXIDO SEMICONDUTOR OU OUTRO) E UM DISPOSITIVO SEMICONDUTOR DE POTÊNCIA NÃO COMANDADO DO TIPO DÍODO (6B), (7B), (8B), (9B), (10B), (11B), (12B), (13B), (14B), (15B), ALÉM DO CONTROLADOR. CADA TERMINAL DE CADA CÉLULA ESTÁ LIGADO A DOIS INTERRUPTORES, EXISTINDO DOIS CAMINHOS PARA A CORRENTE DA CÉLULA. UM DELES CARREGA-A ENQUANTO O OUTRO A DESCARREGA. O CONVERSOR TRANSFERE ENERGIA DA CÉLULA MAIS CARREGADA PARA A CÉLULA MAIS DESCARREGADA, ATRAVÉS DA BOBINA (5), LIGANDO OS INTERRUPTORES ADEQUADOS POR MODULAÇÃO DE LARGURA DE IMPULSO EM CADEIA FECHADA. ESTE EQUILÍBRIO DOS ESTADOS DE CARGA DAS N CÉLULAS EM SÉRIE (1), (2), (3), (4), FUNCIONA QUANDO NECESSÁRIO DURANTE A CARGA OU DURANTE A DESCARGA DA BATERIA, MAXIMIZANDO O SEU TEMPO DE VIDA, AUTONOMIA E RENDIMENTO.The present invention consists of an electronically switched converter for balancing the charge state of n-cells in series (1), (2), (3), (4), in a battery. (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), ( 14A, 15A each having a semiconductor controlled by 6A, 8A, 9A, 10A, 11A, 12A, 13A, 14A, 15A), (ISOLATED BIPOLAR TRANSISTOR, ISOLATED DOOR TRANSISTOR, SEMICONDUCTOR OR OTHER METAL ISOLATED), AND A SEMICONDUTIVE DEVICE OF NO COMMANDED POWER OF TYPE DIGITAL 6B, 7B, 8B, 9B, 10B, , (11B), (12B), (13B), (14B), (15B), in addition to the controller. EACH TERMINAL OF EACH CELL IS CONNECTED TO TWO SWITCHES, EXISTING TWO WAYS TO THE CURRENT OF THE CELL. ONE OF THEY CHARGE IT WHILE THE OTHER IS DOWNLOADED. THE CONVERTER TRANSFERS ENERGY FROM THE LARGEST CELL TO THE LOWER CELL, THROUGH THE COIL (5), CONNECTING THE SWITCHES ADEQUATE BY CLOSED CHAIN PULSE WIDTH MODULATION. THIS EQUILIBRIUM OF THE CHARGING STATES OF THE N-SERIES (1), (2), (3), (4) CELLS, WHEN NECESSARY DURING THE LOAD OR DURING THE DISCHARGE OF THE BATTERY, MAXIMIZING YOUR LIFETIME, AUTONOMY AND PERFORMANCE .

Description

DESCRIÇÃODESCRIPTION

CONVERSOR ELETRÓNICO COMUTADO PARA EQUILÍBRIO DO ESTADO DE CARGA EM CÉLULAS DE BATERIASELECTRONIC CONVERTER SWITCHED FOR BATTERY CELL BALANCE STATUS BALANCE

INTRODUÇÃO A presente invenção consiste num conversor eletrónico comutado que permite equilibrar baterias com n células em série (1), (2), (3), (4), através do balanceamento dos estados de carga (State of charge, SOC ou State of health, SOH) das várias células que as constituem. Os conversores para equilibrar baterias permitem aumentar o seu tempo de vida, pois reduzem os desequilíbrios internos, impedindo que estas sejam danificadas.The present invention consists of a switched electronic converter that enables the balancing of batteries with n series cells (1), (2), (3), (4) by balancing the states of charge (SOC or State of charge health, SOH) of the various cells that constitute them. Converters to balance batteries allow to increase their life time, as they reduce internal imbalances, preventing them from being damaged.

Existem alguns tipos de conversores para equilibrar baterias. Um dos conversores mais referidos consiste num circuito com múltiplos indutores, em que são utilizados n-1 conversores para equilibrar uma bateria com n células em série. Cada um desses conversores tem uma bobina e dois semicondutores comandados à abertura e ao fecho (Transístor Bipolar de Porta Isolada ou Transístor de Porta Isolada Metal Óxido Semicondutor, por exemplo).There are some types of converters for balancing batteries. One of the most commonly mentioned converters consists of a multi-inductor circuit, where n-1 converters are used to balance a battery with n cells in series. Each of these converters has a coil and two semiconductors controlled for opening and closing (Bipolar Isolated Gate Transistors or Isolated Semiconductor Rust Metal Transistor).

Esta invenção apresenta um circuito único para equilibrar baterias, através de um conversor com uma bobina (5) e 2(n+l) interruptores unidirecionais (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15), constituídos cada um por um semicondutor comandado à abertura e ao fecho (Transístor Bipolar de Porta Isolada ou Transístor de Porta Isolada Metal Óxido Semicondutor, por exemplo o semicondutor Si (6A) e um dispositivo semicondutor de potência não comandado do tipo díodo, por exemplo o díodo Di (6B)). Cada terminal de cada célula está ligado a um 1 desses interruptores. Deste modo, existem dois caminhos unidirecionais possíveis para a corrente aos terminais de cada célula, sendo que um dos ditos caminhos pelos interruptores unidirecionais (6) e (12), (7) e (13), (8) e (14), (9) e (15) descarrega uma dada célula e o outro caminho pelos interruptores unidirecionais (11) e (7), (12) e (8), (13) e (9), (14) e (10) carrega a dita célula. Assim, é possível equilibrar os estados de carga das n células em série (1), (2), (3), (4), transferindo, em cada instante, a energia da célula mais carregada para a bobina (5) e desta para a célula mais descarregada. Este conversor pode ser utilizado durante os processos de carregamento como de descarregamento das baterias.This invention features a single circuit for balancing batteries through a converter with a coil 5 and two unidirectional switches 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, each consisting of a semiconductor controlled at the opening and at the closing (Isolated Gate Bipolar Transistor or Isolated Gate Metal Semiconductor Oxide Transistor, for example the semiconductor Si (6A) and a semiconductor device of non-commanded power of the diode type, for example diode Di (6B)). Each terminal of each cell is connected to one of these switches. Accordingly, there are two possible one-way paths for the current to the terminals of each cell, one of said paths by the unidirectional switches 6 and 12, 7 and 13, 8 and 14, 9 and 15 discharges a given cell and the other path through the unidirectional switches 11 and 7, 12 and 8, 13 and 9, 14 and 10 respectively said cell. Thus, it is possible to balance the charge states of the n-series cells 1, 2, 3, 4, by transferring, at each instant, the energy of the most charged cell to the coil 5 and from this to the most discharged cell. This converter can be used during charging and discharging processes.

ESTADO DA TÉCNICA O balanceamento das células de uma bateria é um problema crucial que tem de ser resolvido, de modo a manter a capacidade nominal e aumentar o tempo de vida deste meio de armazenamento de energia.STATUS OF THE TECHNIQUE Balancing the cells of a battery is a crucial problem that has to be solved in order to maintain nominal capacity and increase the life span of this energy storage medium.

Atualmente, existem algumas propostas que procuram dar resposta a esta questão. De um modo geral, podemos considerar dois tipos de balanceamento de células: • Balanceamento passivo - Remove-se o excesso de energia das células mais carregadas, através de resistências (elementos passivos), até que todas as células estejam ao mesmo nível. • Balanceamento ativo - Extrai-se a energia das células mais carregadas para as células menos carregadas, através de elementos ativos, como por exemplo, condensadores, bobinas, transformadores ou conversores de potência. 2 O método de balanceamento (passivo) com resistências em paralelo consiste em remover o excesso de energia da(s) célula(s) mais carregada(s), fazendo a descarga desses células sobre uma resistência, até que a(s) célula(s) mais carregada(s) esteja(m) com o mesmo estado de carga das células menos carregadas. Este método apresenta duas variantes: • Resistências Fixas - Este método (descrito em [1], [2] e [3]) consiste em fazer uma descarga continua da corrente em todas as células, sendo as resistências dimensionadas de modo a limitar o nivel de tensão em todas as células. Este sistema só pode ser utilizado em baterias de chumbo-ácido ou niquel, pois são as únicas que podem ser sobrecarregadas sem que ocorram danos permanentes [4]. • Resistências Comutadas - Esta técnica (descrita em [1], [5] e [6]) consiste em remover a energia em excesso da(s) célula(s) mais carregada (s), mas de uma forma controlada utilizando relés ou interruptores. Este método é mais eficiente que o método das resistências fixas e pode ser utilizado em baterias de iões de litio. Apresenta dois modos de operação: o Continuo: Todos os relés ou interruptores são comandados pelo mesmo sinal ON/OFF. o De deteção: As tensões das células são monitorizadas e sempre que forem detetados desequilíbrios, o sistema decide quais as resistências que devem ser ligadas em paralelo, de modo a fazer a descarga da célula. O método de balanceamento ativo por transferência de carga com condensadores, também conhecido como transferência de carga Charge Shuttling (descrito em [1] e [7-13]) consiste 3 na utilização de condensadores para fazer o balanceamento das várias células da bateria, através do transporte de carga entre elas. Pode ser de três tipos: • Condensadores comutados - Este modelo (descrito em [1], [4], [7-8], [14], [15-16]) requer n-1 condensadores e 2n interruptores para equilibrar n células. 0 seu sistema de controlo é simples, pois só trabalha com dois estados, não necessitando de controlo complexo. A sua principal limitação consiste no facto de ter um tempo de equilíbrio relativamente elevado. • Condensador comutado único - Este sistema (descrito em [1], [4], [9], [14], [16]) consiste numa derivação do modelo anterior, em que é utilizado apenas um condensador e n+5 interruptores para equilibrar n células. A estratégia de controlo é simples, sendo feito o transporte de energia entre a célula mais carregada e a menos carregada, através da ligação dos interruptores adequados, de modo a que o condensador possa efetuar essa operação. No entanto, podem ser adotadas outras estratégias. • Condensadores de dupla hierarquia - Este modelo (descrito em [1], [10-11]) é também uma derivação do primeiro, mas neste caso utilizam-se duas "hierarquias" de condensadores para transferir a energia, de modo a conseguir o equilíbrio. São necessários n condensadores e 2n interruptores para equilibrar n células. A grande vantagem deste sistema consiste no facto de a segunda "camada" de condensadores permitir reduzir o tempo de equilíbrio para um quarto, em relação ao método dos condensadores comutados. 4There are currently a number of proposals that seek to address this issue. In general, we can consider two types of cell balancing: • Passive balancing - Removes excess energy from the most charged cells, through resistances (passive elements), until all cells are at the same level. • Active Balancing - Extract the energy from the most charged cells to the less-charged cells, through active elements, such as capacitors, coils, transformers or power converters. 2 The method of balancing (passive) with parallel resistors is to remove excess energy from the most charged cell (s), by discharging these cells over a resistance, until the cell (s) s) is loaded with the same charge state as the less-charged cells. This method has two variants: • Fixed Resistors - This method (described in [1], [2] and [3]) consists of making a continuous discharge of the current in all the cells, being the resistors dimensioned in order to limit the level in all cells. This system can only be used in lead-acid or nickel batteries, as they are the only ones that can be overloaded without permanent damage [4]. • Switched Resistors - This technique (described in [1], [5] and [6]) consists of removing excess energy from the most charged cell (s), but in a controlled manner using relays or switches. This method is more efficient than the fixed resistor method and can be used in lithium ion batteries. It has two modes of operation: o Continuous: All relays or switches are controlled by the same ON / OFF signal. o Detection: The voltages of the cells are monitored and whenever imbalances are detected, the system decides which resistors should be connected in parallel, in order to discharge the cell. The Charge Shuttling load transfer (described in [1] and [7-13]) consists of the use of capacitors to balance the various cells of the battery, through of freight transport between them. It can be of three types: • Switched capacitors - This model (described in [1], [4], [7-8], [14], [15-16]) requires n-1 capacitors and 2n switches to balance n cells. Its control system is simple, since it only works with two states, requiring no complex control. Its main limitation is that it has a relatively high equilibrium time. • Single switched capacitor - This system (described in [1], [4], [9], [14], [16]) is a derivation of the previous model, where only one capacitor is used and n + 5 switches for balance n cells. The control strategy is simple, with the energy being transported between the most charged and the least charged cell by connecting the appropriate switches so that the capacitor can perform this operation. However, other strategies may be adopted. • Dual hierarchy capacitors - This model (described in [1], [10-11]) is also a derivation of the first, but in this case we use two " hierarchies " capacitors to transfer the energy in order to achieve equilibrium. N capacitors and 2n switches are needed to balance n cells. The great advantage of this system is that the second " of capacitors allow to reduce the equilibrium time to one quarter, in relation to the switched capacitor method. 4

Existem também métodos de balanceamento ativo com transformadores, que apresentam diferentes variantes. 0 método do transformador comutado (descrito em [1], [4], [14-15], [19-20]) pode apresentar dois circuitos: • Bateria para célula - Pack-to-cell - A energia total da bateria é transferida pelo transformador comutado para as células menos carregadas, através da ligação dos interruptores adequados. • Célula para bateria - Cell-to-pack - Neste caso, procede-se do modo contrário, ou seja, transfere-se a energia das células mais carregadas, através do transformador comutado para a bateria.There are also active balancing methods with transformers, which have different variants. The switched-mode transformer method (described in [1], [4], [14-15], [19-20]) can have two circuits: • Pack-to-cell battery - The total battery power is transferred by the switched transformer to the less-charged cells, by connecting the appropriate switches. • Battery cell - Cell-to-pack - In this case, the opposite is done, ie the energy is transferred from the most charged cells, through the switched-to-battery transformer.

Por outro lado, os métodos com transformadores com múltiplos enrolamentos também podem ser de dois tipos: • Transformador partilhado - Neste sistema (descrito em [1], [4], [14-15], [21-22]) existe um único núcleo magnético com um enrolamento no primário e múltiplos enrolamentos no secundário, um por cada célula. Pode apresentar duas configurações: o De retorno - Flyback - Quando se liga o interruptor do lado do primário é armazenada alguma energia no transformador. Posteriormente, ao ser desligado esse interruptor, a energia é transferida para o secundário do transformador, sendo a maior parte da corrente induzida nas células mais descarregadas (com menor reatância), através dos diodos. o Direto - Forward - Quando é detetado um desequilíbrio, o interruptor da célula mais carregada é ligado e a energia em excesso é transferida para as células mais descarregadas através do transformador e dos díodos em antiparalelo dos interruptores. 5 • Múltiplos transformadores - Neste modelo (descrito em [1], [4], [14-15], [19]), existem vários transformadores, um por cada célula.On the other hand, the methods with transformers with multiple windings can also be of two types: • Shared transformer - In this system (described in [1], [4], [14-15], [21-22]) there is a single magnetic core with a primary winding and multiple secondary windings, one for each cell. It can have two settings: o Return - Flyback - When the switch on the primary side is turned on, some power is stored in the transformer. Later, when this switch is turned off, the energy is transferred to the transformer secondary, most of the current being induced in the most discharged cells (with less reactance) through the diodes. o Forward - When an imbalance is detected, the switch of the most charged cell is switched on and excess energy is transferred to the most discharged cells through the transformer and the switches' antiparallel diodes. 5 • Multiple transformers - In this model (described in [1], [4], [14-15], [19]), there are several transformers, one for each cell.

Existem ainda métodos de balanceamento ativo, através de conversores de potência. Como exemplo, refere-se um dos conversores mais utilizados, o conversor redutor-elevador Buck-Boost (descrito em [14], [1], [15], [17-18]), que permite transferir energia da célula mais carregada para a célula menos carregada, recorrendo a um elemento de armazenamento intermédio. Este conversor apresenta um tempo de equilíbrio bastante satisfatório, sendo fácil a sua implementação em módulos. No entanto, necessita de um sistema de controlo inteligente e é relativamente caro. Finalmente, é ainda importante referir os sistemas de balanceamento ativo de células de baterias com bobinas, que podem utilizar um ou vários elementos deste tipo. No primeiro caso (descrito em [1] e [23]), o sistema utiliza uma bobina, 2n semicondutores comandados à abertura e ao fecho e 2(n-l) dispositivos semicondutores de potência não comandados do tipo díodo para equilibrar um bateria com n células em série. Este conversor transfere energia entre duas células da bateria, que são selecionadas pelo sistema de controlo, através da bobina, que serve como elemento de armazenamento intermédio. Este método consiste numa versão modificada do conversor redutor-elevador. No segundo caso (descrito em [1], [14] e [24]) recorre-se a (n-1) indutores e a 2(n-1)interruptores para equilibrar n células. 0 sistema de controlo mede a diferença entre os estados de carga de cada par de células vizinhas e aplica um sinal com modulação de largura de impulso (pulse width modulation), que permite descarregar a energia da célula mais carregada para a mais fraca. Ambos os métodos apresentam tempos de equilíbrio satisfatórios. 6There are also methods of active balancing, through power converters. As an example, one of the most commonly used converters, the Buck-Boost reducer-inverter (described in [14], [1], [15], [17-18]) is used to transfer energy from the most charged cell to the less-charged cell, by using an intermediate storage element. This converter has a very satisfactory balance time, being easy to implement in modules. However, it needs an intelligent control system and is relatively expensive. Finally, it is still important to refer to the active balancing systems of battery cells with coils, which can use one or more elements of this type. In the first case (described in [1] and [23]), the system uses a coil, 2n open and close controlled semiconductors, and 2 (nl) diode type noncontrolling semiconductor devices to balance a battery with n cells in series. This converter transfers power between two battery cells, which are selected by the control system, through the coil, which serves as an intermediate storage element. This method consists of a modified version of the gearbox-lift converter. In the second case (described in [1], [14] and [24]) (n-1) inducers and 2 (n-1) switches are used to balance n cells. The control system measures the difference between the charge states of each neighboring cell pair and applies a pulse width modulation signal, which allows the discharge of the most charged cell to the weakest cell. Both methods have satisfactory equilibration times. 6

Existem outros tipos de sistemas de balanceamento de células de baterias, sendo que alguns deles consistem em versões modificadas dos circuitos apresentados.There are other types of battery cell balancing systems, some of them consisting of modified versions of the circuits presented.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 representa o esquema do circuito para uma bateria com n células em série (1), (2), (3), (4), uma única bobina (5) e 2(n+l) interruptores unidirecionais (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15), em que (6A) , (7A), (8A), (9A), (10A), (11A), (12A), (13A), (14A), (15A) são semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho e (6B), (7B), (8B), (9B), (10B), (11B), (12B), (13B), (14B), (15B) são dispositivos semicondutores de potência não comandados do tipo díodo. A Figura 2 representa o ciclo histerético que carateriza um possível processo de controlo do estado de carga. A Figura 3 representa o esquema do circuito da figura 1 e o percurso da corrente quando se descarrega a célula Bi (1), em que a corrente atravessa o semicondutor Si (6A) e o díodo Di (6B), a bobina (5) e o semicondutor S'2 (12A) e o díodo D'2 (12B) . A Figura 4 representa o esquema do circuito da figura 1 e o percurso da corrente quando se carrega a célula B2 (2), em que a corrente atravessa o semicondutor S3 (8A) e o díodo D3 (8B), a bobina (5) e o semicondutor S'2 (12A) e o díodo D'2 (12B). A Figura 5 representa o esquema do circuito da figura 1 no estado anterior para um processo de comutação do tipo 1, em 7 que se estava a descarregar a célula Bi (1) mais carregada, e no estado atual pretende-se carregar a célula Bn (4) mais descarregada, em que a corrente atravessa o semicondutor Si (6A) e o díodo ϋχ (6B) , a bobina (5) e o semicondutor S'2 (12A) e o díodo D'2 (12B). A Figura 6 representa o esquema do circuito da figura 1 e o primeiro passo de um processo de comutação do tipo 1, em que no estado anterior se estava a descarregar a célula Βχ (1) mais carregada, e no estado atual pretende-se carregar a célula Bn (4) mais descarregada, em que a corrente atravessa os semicondutor S2 (6A) e o díodo ϋχ (6B) , a bobina (5) e o semicondutor S'2 (12A) e o díodo D'2 (12B) , e se comanda em condução o semicondutor Sn+i (10A) . A Figura 7 representa o esquema do circuito da figura 1 e o segundo passo de um processo de comutação do tipo 1, em que no estado anterior se estava a descarregar a célula Βχ (1) mais carregada, e no estado atual pretende-se carregar a célula Bn (4) mais descarregada, em que a corrente atravessa o semicondutor Sn+i (10A) e o díodo Dn+1 (10B), a bobina (5), o semicondutor S'n (14A) e o díodo D'n (14B), e se comanda ao corte o semicondutor sx (6A) . A Figura 8 representa o esquema do circuito da figura 1 e o terceiro passo de um processo de comutação do tipo 1, em que no estado anterior se estava a descarregar a célula Βχ (1) mais carregada, e no estado atual pretende-se carregar a célula Bn (4) mais descarregada, em que a corrente atravessa o semicondutor Sn+x (10A) e o díodo Dn+1 (10B), a bobina (5), o semicondutor S'n (14A) e o díodo D'n (14B), e se comanda ao corte o semicondutor S'2 (12A). A Figura 9 representa o esquema do circuito da figura 1 e o estado anterior para um processo de comutação do tipo 2, em que se estava a carregar a célula Bn (4) mais descarregada e no estado atual pretende-se descarregar a célula Bi (1) mais carregada, em que a corrente atravessa o semicondutor Sn+i (10A) e o díodo Dn+i (10B), a bobina (5), o semicondutor S'n (14A) e o díodo D'n (14B), estando o semicondutor (10A) e o semicondutor S'n (14A) em condução. A Figura 10 representa o esquema do circuito da figura 1 e o primeiro passo de um processo de comutação do tipo 2, em que no estado anterior se estava a carregar a célula Bn (4) mais descarregada e no estado atual pretende-se descarregar a célula Bi (1) mais carregada, em que a corrente atravessa o semicondutor Sn+i (10A) e o díodo Dn+i (10B), a bobina (5), o semicondutor S'n (14A) e o díodo D'n (14B), e se comanda em condução o semicondutor S'2 (12A). A Figura 11 representa o esquema do circuito da figura 1 e o segundo passo de um processo de comutação do tipo 2, em que no estado anterior se estava a carregar a célula Bn (4) mais descarregada e no estado atual pretende-se descarregar a célula Bi (1) mais carregada, em que a corrente atravessa o semicondutor Si (6A) e o díodo Di (6B), a bobina (5), o semicondutor S'2 (12A) e o díodo D'2 (12B), e se comanda ao corte o semicondutor S'n (14A). A Figura 12 representa o esquema do circuito da figura 1 e o terceiro passo de um processo de comutação do tipo 2, em que no estado anterior se estava a carregar a célula Bn (4) mais descarregada e no estado atual pretende-se descarregar a célula Bi (1) mais carregada, em que a corrente atravessa o semicondutor Si (6A) e o díodo Di (6B), a bobina (5), o 9 semicondutor S'2 (12A) e o díodo D'2 (12B), e se comanda ao corte o semicondutor Sn+i (10A) .BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows the circuit diagram for a battery with n series cells 1, 2, 3, 4, a single coil 5 and 2 n + 1 switches unidirectional 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, wherein 6A, 7A, 8A, 9A, 10A, 11A, 12A, 13A, 14A, 15A are power semiconductors controlled for opening and closing, and 6B, 7B, 8B, 9B, 10B, 11B, 12B, 13B, 14B, 15B are semiconductor power units of the diode-like type. Figure 2 shows the hysteretic cycle which characterizes a possible process of control of the state of charge. Figure 3 shows the circuit diagram of Figure 1 and the current path when the cell Bi (1) is discharged, where the current flows through the semiconductor Si (6A) and the diode Di (6B), the coil (5) and the semiconductor S2 (12A) and the diode D'2 (12B). Figure 4 shows the circuit diagram of figure 1 and the current path when the cell B2 is charged, where the current passes through the semiconductor S3 and diode D3, the coil 5, and the semiconductor S2 (12A) and the diode D'2 (12B). Figure 5 shows the circuit diagram of Figure 1 in the prior state for a type 1 switching process where the most charged cell Bi (1) was being discharged, and in the current state it is intended to charge the cell Bn (6A), the coil (5) and the semiconductor S2 (12A) and the diode D'2 (12B). Figure 6 shows the circuit diagram of figure 1 and the first step of a type 1 switching process, in which in the previous state the most charged Βχ (1) cell was being discharged, and in the current state it is intended to charge the most discharged Bn cell 4, where the current flows through the semiconductor S2 6A and the diode ϋχ 6B, the coil 5 and the semiconductor S2 (12A) and the diode D'2 (12B ), and conducting the Sn + i semiconductor (10A). Figure 7 shows the circuit diagram of figure 1 and the second step of a switching process of type 1, in which in the previous state the most charged Βχ (1) cell was being discharged, and in the current state it is intended to charge the most discharged Bn cell 4, where the current flows through the semiconductor Sn + i (10A) and the diode Dn + 1 (10B), the coil (5), the semiconductor S'n (14A) and the diode D 'n (14B), and the semiconductor sx (6A) is commanded. Figure 8 shows the circuit diagram of figure 1 and the third step of a switching process of type 1, in which in the previous state the most charged Βχ (1) cell was being discharged, and in the current state it is intended to load the most discharged Bn cell 4, where the current flows through the semiconductor Sn + x (10A) and the diode Dn + 1 (10B), the coil (5), the semiconductor S'n (14A) and the diode D 'n (14B), and the semiconductor S'2 (12A) is commanded. Figure 9 shows the circuit diagram of Figure 1 and the previous state for a type 2 switching process, in which the most discharged Bn cell 4 was being charged and in the current state it is intended to discharge cell Bi 1), where the current flows through the semiconductor Sn + i (10A) and the diode Dn + i (10B), the coil (5), the semiconductor S'n (14A) and the diode D'n (14B ), the semiconductor (10A) and the semiconductor S'n (14A) being conductive. Figure 10 shows the circuit diagram of figure 1 and the first step of a type 2 switching process, in which in the previous state the most discharged Bn cell (4) was being charged and in the current state it is intended to discharge the (10A) and the diode Dn + i (10B), the coil (5), the semiconductor S'n (14A) and the diode D ' n (14B), and conducting the semiconductor S2 (12A). Figure 11 shows the circuit diagram of Figure 1 and the second step of a type 2 switching process, in which in the previous state the most discharged Bn cell (4) was being loaded and in the current state it is intended to discharge the (1), the current through the semiconductor Si (6A) and the diode (6B), the coil (5), the semiconductor S2 (12A) and the diode D'2 (12B) , and the semiconductor S'n (14A) is commanded. Figure 12 shows the circuit diagram of figure 1 and the third step of a type 2 switching process, in which in the previous state the most discharged cell Bn (4) was being loaded and in the current state it is intended to discharge the (6A), the coil (5), the semiconductor S'2 (12A) and the diode D'2 (12B) ), and the semiconductor Sn + i (10A) is commanded.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A invenção descrita refere-se a um conversor eletrónico comutado para equilibrar o estado de carga de células de baterias. 0 circuito proposto pode ser entendido usando o conceito de retificador polifásico de tirístores em corrente com fontes alternadas em polígono. Na presente invenção, o polígono das fontes é aberto, as fontes são substituídas por células de tensão contínua e usando semicondutores comandados ao corte e à condução, transfere-se energia entre as células de tensão contínua, e não das fontes para uma carga. Consequentemente, pode ser utilizado em qualquer tipo de aplicações que necessitem de baterias, como por exemplo, os veículos elétricos, fazendo o equilíbrio durante a carga e durante a descarga da bateria.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The disclosed invention relates to an electronic switched converter for balancing the state of charge of battery cells. The proposed circuit can be understood using the polyphase rectifier concept of current thyristors with alternating polygon sources. In the present invention, the source polygon is opened, the sources are replaced by DC cells, and by using cutting and conducting semiconductors, energy is transferred between the DC voltage cells, not the sources for a load. Consequently, it can be used in any type of applications that require batteries, such as electric vehicles, balancing during charging and during battery discharge.

Na figura 1 é apresentado este circuito para uma bateria de n células em série (1 ) , (2) , (3) , (4) . Tal como já foi referido na introdução, este conversor permite equilibrar n células recorrendo a uma única bobina (5) e a 2(n+1) interruptores unidirecionais (6) , (7) , (8) , (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15), sendo cada um constituído por um semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho (6A), (7A), (8A), (9A), (10A), (11A), (12A), (13A), (14A), (15A) (Transístor bipolar, IGBT ou MOSFET, por exemplo) e um dispositivo semicondutor de potência não comandado do tipo díodo (6B), (7B), (8B), (9B), (10B), (11B), (12B), (13B), (14B), (15B). Cada terminal de cada célula está ligado a um desses interruptores. Deste modo, existem dois caminhos unidirecionais possíveis para a corrente aos 10 terminais de cada célula, sendo que um dos ditos caminhos pelos interruptores unidirecionais (6) e (12), (7) e (13), (8) e (14), (9) e (15) descarrega uma dada célula e o outro caminho pelos interruptores unidirecionais (11) e (7), (12) e (8), (13) e (9), (14) e (10) carrega a dita célula.In figure 1 this circuit is shown for a battery of n cells in series (1), (2), (3), (4). As already mentioned in the introduction, this converter allows to balance n cells using a single coil 5 and 2 (n + 1) one-way switches 6, 7, 8, 9, 10, (11), (12), (13), (14), (15), each consisting of a power semiconductor controlled to the opening and the closure 6A, 7A, 8A, 9A), (10A), (12A), (13A), (14A), (15A) (bipolar transistor, IGBT or MOSFET, for example) and a semiconductor device of the diode type ), (7B), (8B), (9B), (10B), (11B), (12B), (13B), (14B), (15B). Each terminal of each cell is connected to one of these switches. Accordingly, there are two possible unidirectional paths for the current to the 10 terminals of each cell, one of said paths by the unidirectional switches 6 and 12, 7 and 13, 9 and 15 discharges a given cell and the other path through unidirectional switches 11 and 7, 12 and 8, 13 and 9, 14 and 10, carries said cell.

Em seguida, é descrito um possivel mecanismo de controlo para este circuito. É importante referir que este sistema usa memória com as informações relativas aos sinais de comando e tensões de controlo do instante anterior. Este aspeto garante o funcionamento correto do conversor. 1. Seleção do par de células a equilibrarNext, a possible control mechanism for this circuit is described. It is important to note that this system uses memory with the information regarding control signals and control voltages of the previous instant. This ensures correct operation of the drive. 1. Select the pair of cells to balance

Em cada instante é efetuada a avaliação do estado de carga de cada célula, sendo essa informação enviada posteriormente para o sistema de controlo, que determina qual o par de células que deve ser equilibrado. Optou-se por escolher a célula mais carregada e a mais descarregada, em cada instante, mas poderia ter-se optado por outro critério de escolha. Assim, em cada instante, é necessário ordenar as células, de acordo com os respetivos estados de carga, para poder escolher o par de células adequado (alternativamente, poderia ter-se usado um algoritmo de mínimo e máximo que necessita apenas de uma única passagem). No entanto, para evitar trocas excessivas em relação aos máximos e mínimos em cada instante pode definir-se uma margem de erro ±ξ ou desequilíbrio (este valor pode ser alterado conforme o grau de precisão pretendido), que é dada pelas seguintes equações: . SOCi > —SOCi.índ. íz& znàxítto φAt each instant the evaluation of the charge state of each cell is carried out, this information being sent later to the control system, which determines which pair of cells should be balanced. It was decided to choose the most loaded cell and the most discharged cell, at each moment, but could have chosen another criterion of choice. Thus, at each instant, it is necessary to order the cells, according to their respective states of charge, to be able to choose the appropriate pair of cells (alternatively, a minimum and maximum algorithm could have been used that requires only a single pass ). However, in order to avoid excessive changes in relation to the maxima and minima at each instant, a margin of error ± ξ or unbalance can be defined (this value can be altered according to the degree of precision required), which is given by the following equations:. SOCi > -OC. . znàxítto φ

Margem de erro (máximo) =-'octs*-1 — s (0 . _ . SOCiíttàic&mh^ims Gísisáí—c-fiânr&cr? /M,Margin of error (maximum) = - 'octs * -1 - s (0.8)

Margem de erro (mínimo) =- -< -ς (li) 11 £SOCí (iii)Error Margin (minimum) = - - < (iii)

Deste modo, o controlador considera os índices do máximo e do mínimo atuais resultantes do processo de ordenação como valores auxiliares. Estes só passam a ser considerados como valores efetivos se verificarem as condições impostas por (i) e (ii), conforme se tratem de máximos ou mínimos, respetivamente. Caso contrário, mantêm-se os índices das células que estavam a ser equilibradas no instante anterior. É importante referir que este processo de seleção só é válido para instantes posteriores ao primeiro. Como é óbvio, no primeiro instante, o controlador não possui a informação de um mínimo ou máximo anterior, pelo que neste caso, os índices que resultam do processo de ordenação nesse instante inicial são automaticamente selecionados como índices efetivos. É importante mencionar um outro aspeto relativo ao processo de seleção do par de células a equilibrar, relacionado com um sinal de fim de carga. Este sinal corresponde a uma variável de controlo do sistema de controlo do estado de carga, e é nulo sempre que o processo de equilíbrio entre um determinado par de células é concluído no instante anterior. Portanto, quando essa condição se verifica, são escolhidos os índices das células resultantes do processo de ordenação no instante atual, uma vez que o processo de equilíbrio entre o par de células do instante anterior já está concluído. Caso o sinal de fim de carga não seja nulo, mantém-se o par de células do instante anterior, desde que não sejam violadas as condições expressas em (i) e (ii) . Este sinal de fim de carga é devidamente explicado em seguida, quando for descrito o mecanismo de controlo do estado de carga. 12In this way, the controller considers the current maximum and minimum indices resulting from the ordering process as auxiliary values. These will only be considered as effective values if the conditions imposed by (i) and (ii), according to whether they are maxima or minima, are verified, respectively. Otherwise, the indices of the cells that were being balanced in the previous instant are maintained. It is important to note that this selection process is valid only for instants after the first. Obviously, in the first instance, the controller does not have the information of a previous minimum or maximum, so in this case, the indexes that result from the ordering process in that initial instant are automatically selected as effective indexes. It is important to mention another aspect regarding the process of selecting the pair of cells to be balanced, related to an end-of-charge signal. This signal corresponds to a control variable of the charge state control system, and is null whenever the balancing process between a given cell pair is completed at the previous instant. Therefore, when this condition is verified, the indexes of the cells resulting from the ordering process are selected at the present time, since the balancing process between the pair of cells of the previous instant is already concluded. If the end-of-charge signal is not zero, the pair of cells of the previous instant is maintained, provided that the conditions in (i) and (ii) are not violated. This end-of-load signal is explained briefly below when the load-state control mechanism is described. 12

Controlo por realimentação da corrente iL 0 balanceamento dos estados de carga das várias células é conseguido, através do controlo da corrente Íl da bobina (5), transferindo a energia extra da célula mais carregada para a bobina (5) . Esta energia é posteriormente transferida para a célula mais descarregada. Este processo pode ser realizado recorrendo, por exemplo, a um sistema de controlo por modulação de largura de impulso realimentado, com comparador histerético.Current feedback control Balancing the load states of the various cells is achieved by controlling the current of the coil 5 by transferring the extra energy from the more charged cell to the coil 5. This energy is then transferred to the most discharged cell. This process may be performed by, for example, a feedback pulse width modulation control system with a hysteresis comparator.

Deste modo, o processo de controlo de corrente pode ser implementado da seguinte maneira:In this way, the current control process can be implemented as follows:

1 . Se 3-l < i-Lref —~ Smax ΟΝ Θ S max+1 ON 0 controlador envia sinais de comando de modo a ligar os semicondutores que permitem transferir parte da energia extra da célula mais carregada para a bobina (5), mantendo todos os outros interruptores desligados. Deste modo, a corrente iL cresce até ao limite superior estabelecido pela condição 1.1 . If 3-1 < The controller sends control signals in order to connect the semiconductors that allow transferring some of the extra energy from the most charged cell to the coil (5), keeping all other switches off. In this way, the current iL increases to the upper limit established by condition 1.

2 . Se Í-l > Íl,ref Ί" —~ = ^ S 1 min ON € Smin+1 ON2 . If < 1 > Íl, ref Ί " - ~ = ^ S 1 min ON € Smin + 1 ON

Neste caso, o controlador liga os semicondutores que permitem que a energia armazenada na bobina (5) seja transferida para a célula mais descarregada, mantendo todos os outros interruptores desligados. Consequentemente, a corrente iL vai decrescer até ao limite inferior indicado na condição 2. 3. Se iLref - vr < íl < ^Lref + ~ => Mantém os comandos do instante anterior. 0 sistema de controlo tem memória para poder equilibrar as células corretamente, pelo que nesta 13 situação intermédia, os comandos do instante anterior devem ser mantidos. Desta forma, se no instante anterior a corrente iL verificava a condição 1, vai continuar a crescer até atingir a condição 2. Por outro lado, se no instante anterior a corrente Íl verificava a condição 2, vai continuar a decrescer até atingir a condição 1. A corrente de referência iLref pode ser definida por realimentação de acordo com os requisitos da aplicação, sendo aqui calculada para que a corrente a transferir para a célula menos carregada compense a respetiva corrente de descarga, o que permite o equilíbrio mesmo durante a descarga da bateria, maximizando a autonomia e o tempo de vida da bateria.In this case, the controller connects the semiconductors that allow the energy stored in the coil (5) to be transferred to the most discharged cell, keeping all other switches off. Consequently, the current iL will decrease to the lower limit indicated in condition 2. 3. If iLref - vr < Î »< ^ Lref + ~ = > Keep the commands of the previous moment. The control system has memory so as to be able to balance the cells correctly, so in this intermediate situation, the commands of the previous instant must be maintained. Thus, if at the instant before the current iL checked the condition 1, it will continue to grow until it reaches condition 2. On the other hand, if at the previous instant the current I verified condition 2, it will continue to decrease until reaching condition 1 The reference current iLref can be defined by feedback according to the requirements of the application, being calculated here so that the current to be transferred to the less charged cell compensates its discharge current, which allows the balance even during the discharge of the battery life, maximizing battery life and battery life.

Controlo do estado de carga 0 processo de controlo de corrente é a malha interna de um outro mecanismo, que é responsável pelo controlo do estado de carga das células e cujo funcionamento pode ser descrito pelo ciclo histerético apresentado na figura 2. Assim, após o processo de determinação do par de células a equilibrar, é calculado o erro dado pela equação (iv) abaixo entre os estados de carga dessas duas células, relativamente ao estado de carga de referência.Control of the charge state The current control process is the internal loop of another mechanism, which is responsible for controlling the charge state of the cells and whose operation can be described by the hysteretic cycle shown in figure 2. Thus, after the process of the determination of the pair of cells to be equilibrated, the error given by equation (iv) below between the states of charge of these two cells, relative to the reference charge state, is calculated.

Erro SOCref (iv)SOCref error (iv)

Para além do erro calculado através da equação anterior, é utilizada também uma variável de controlo, o sinal de fim de carga, que pode assumir dois valores: • IV - Este valor é atribuído no início do processo de equilíbrio entre o par de células selecionado e é mantido enquanto este não estiver concluído. 14 • OV - Este valor é atribuído quando as células estão equilibradas, ou seja, sempre que o erro é inferior a um valor mínimo negativo, que está pré-definido.In addition to the error calculated from the previous equation, a control variable, the end-of-charge signal, which can assume two values is also used: • IV - This value is assigned at the beginning of the balancing process between the selected pair of cells and is held while it is not completed. 14 • OV - This value is assigned when the cells are balanced, that is, whenever the error is less than a negative minimum value, which is predefined.

Tal como é possível observar no ciclo histerético apresentado na figura 2, o sistema de controlo de estado de carga só entra em funcionamento se o erro inicial entre os estados de carga do par selecionado for superior a um valor máximo pré-definido. Pretende-se, deste modo, aumentar o rendimento do conversor, evitando que este seja ligado em situações em que o desequilíbrio entre a célula mais carregada e a célula mais descarregada é muito pequeno.As can be seen from the hysteretic cycle shown in figure 2, the load-state control system only comes into operation if the initial error between the load states of the selected pair exceeds a predefined maximum value. It is thus intended to increase the efficiency of the converter by preventing it from being switched on in situations where the imbalance between the most charged cell and the most discharged cell is very small.

Assumindo que o valor inicial do erro é superior ao valor máximo estabelecido, dá-se início ao processo de equilíbrio das células. Sempre que o sistema de controlo do estado de carga entra em funcionamento, é atribuído o valor de IV ao sinal de fim de carga, sinalizando que o processo está em curso. Enquanto esta variável de controlo estiver ativa, é acionado o sistema de controlo de corrente, cujo funcionamento já foi descrito anteriormente. Quando o erro for inferior ao mínimo negativo pré-estabelecido, representado na figura 2, dá-se por terminado o processo de equilíbrio do par de células em questão, sendo atribuído o valor nulo ao sinal de fim de carga. Nesta fase, a corrente iL na bobina (5) é anulada, através da ligação de dois semicondutores de um mesmo braço, mantendo todos os outros interruptores desligados. No entanto, este anulamento de corrente na bobina (5) só é visível quando todas as células estiverem equilibradas, uma vez que enquanto houver desequilíbrios suficientemente elevados, o conversor vai continuar a transferir energia das células com maior estado de carga para as de menor carga. Ou seja, quando o processo de equilíbrio de um determinado par de células é concluído, 15 a corrente na bobina (5) é anulada, mas se houver outro par de células a necessitar de um processo de equilíbrio, o conversor volta a entrar em funcionamento, colocando novamente corrente na bobina (5). Consequentemente, só é possível observar o anulamento de corrente na bobina quando todas as células estiverem equilibradas. Este aspeto é essencial para tornar o conversor mais eficiente, diminuindo perdas de comutação desnecessárias, quando a bateria já está equilibrada (com uma margem de erro suficientemente pequena).Assuming that the initial value of the error is higher than the maximum value established, the process of balancing the cells begins. Whenever the load-state control system goes into operation, the IV value is assigned to the load-end signal, signaling that the process is in progress. While this control variable is active, the current control system is activated, the operation of which has already been described previously. When the error is less than the pre-established negative minimum shown in figure 2, the balancing process of the pair of cells in question is terminated and the null value is assigned to the end-of-charge signal. At this stage, the current iL in the coil 5 is canceled by connecting two semiconductors of the same arm, keeping all other switches off. However, this current blanking in the coil (5) is only visible when all the cells are balanced, since as long as there are sufficiently high imbalances, the converter will continue to transfer energy from the cells with a higher state of charge to those of a lower load . That is, when the balancing process of a certain pair of cells is completed, the current in the coil (5) is canceled, but if there is another pair of cells in need of a balancing process, the converter will restart , by putting current back into the coil (5). Consequently, it is only possible to observe the canceling of current in the coil when all the cells are balanced. This is essential to make the converter more efficient, reducing unnecessary switching losses when the battery is already balanced (with a sufficiently small error margin).

De modo a ilustrar melhor o funcionamento deste conversor, considere-se, por exemplo, o caso representado nas Figuras 3 e 4, em que num determinado instante se detetou que a célula Bi (1) era a célula mais carregada e a célula B2 (2) era a que estava mais descarregada. Perante este cenário, o controlador envia sinais de comando que vão ligar o semicondutor Si (6A) e o semicondutor S'2 (12A), mantendo todos os outros interruptores desligados, gerando uma corrente que vai carregar a bobina (5) com a energia extra da célula Bi (1), como se verifica na Figura 3. Num segundo momento, o controlador envia novos sinais de comando que vão acionar o semicondutor S'2 (12A) e o semicondutor S3 (8A), desligando todos os outros, de modo a carregar a célula B2 (2) com a energia acumulada na bobina (5), como se verifica na Figura 4. Repetindo este processo de carga e descarga das duas células, é possível alcançar uma situação de equilíbrio entre estas. Neste caso, considerou-se que em nenhum momento foram violadas as condições expressas nas equações (i) e (ii).In order to better illustrate the operation of this converter, consider, for example, the case shown in Figures 3 and 4, where at a given time it was detected that cell Bi (1) was the most charged cell and cell B2 ( 2) was the one that was most discharged. In this scenario, the controller sends command signals which will connect the semiconductor Si (6A) and the semiconductor S'2 (12A), keeping all the other switches off, generating a current that will charge the coil (5) with the energy as shown in Figure 3. In a second step, the controller sends new command signals which will drive semiconductor S2 (12A) and semiconductor S3 (8A), turning off all others, so as to load the cell B2 (2) with the energy accumulated in the coil (5), as shown in Figure 4. By repeating this process of loading and unloading the two cells, a balancing situation can be achieved between them. In this case, it was considered that at no time were the conditions expressed in equations (i) and (ii) violated.

Sequência de comutaçãoSwitching sequence

Refere-se a seguir o aspeto relacionado com a questão da sequência de comutação, que permite direcionar a energia da 16 bobina (5) da célula mais carregada para a célula menos carregada.Referring now to the aspect relating to the switching sequence question, which allows to direct the energy of the coil (5) of the most charged cell to the less-charged cell.

De facto, para que o processo funcione corretamente, é necessário garantir a continuidade da corrente na bobina (5), pelo que é crucial ter um sistema de disparo dos semicondutores comandado que permita executar as comutações sem a abertura da malha da bobina (5).In fact, in order for the process to work correctly, it is necessary to ensure the continuity of the current in the coil 5, so it is crucial to have a controlled semiconductor tripping system that allows to execute the commutations without opening the coil loop 5, .

Neste sistema, existem duas tensões de controlo:In this system, there are two control voltages:

Comutação - Esta tensão é usada para sinalizar a ocorrência de processos de comutaçao. Pode assumir três valores: o IV - Quando está em curso um processo de comutação do tipo 1, ou seja, quando se está a comutar de uma célula de indice mais baixo para outra de indice mais alto. o 2V - Quando está em curso um processo de comutação do tipo 2, ou seja, quando se está a comutar de uma célula de indice mais alto para outra de indice mais baixo. o OV - Quando termina o processo de comutação. • Memória do estado anterior - Esta variável de controlo é utilizada para o controlador saber qual o estado anterior, podendo assumir quatro estados: o Estado 1 - Se no estado anterior estava a decorrer o descarregamento da célula mais carregada, ou seja, estão ligados Smax e S'max+if com os restantes interruptores desligados, o Estado 2 - Se no estado anterior estava a decorrer o carregamento da célula mais descarregada, isto é, estão ligados S'min e Sm±n+i, com os restantes interruptores deligados. 17 o Estado 3 - Se no estado anterior, a corrente na bobina (5) for nula, como consequência de ter sido atingido o equilíbrio entre o par de células selecionado, tal como já foi explicado anteriormente. Neste caso, estão ligados Si e S'i, com os restantes interruptores desligados. o Estado 0 (inicial) - Se o conversor tiver sido ligado no instante atual. 0 processo de comutação é realizado em 3 passos e pode ser de dois tipos, tal como é descrito em seguida.Switching - This voltage is used to signal the occurrence of switching processes. It can assume three values: IV - When a type 1 switching process is in progress, ie when switching from a lower index cell to a higher index cell. o 2V - When a type 2 switching process is in progress, ie when switching from a higher index cell to a lower index cell. OV - When the switching process is complete. • Memory of the previous state - This control variable is used for the controller to know the previous state, and can assume four states: State 1 - If in the previous state was discharging the most charged cell, ie are connected Smax and S'max + if with the remaining switches switched off, the state 2 - If in the previous state the load of the most discharged cell is running, that is, S'min and Sm ± n + i are connected, with the remaining switches connected . The state 3 - If in the previous state, the current in the coil 5 is zero, as a consequence of having reached the equilibrium between the selected pair of cells, as already explained above. In this case, Si and S'i are connected, with the remaining switches off. o State 0 (initial) - If the inverter has been turned on at the current time. The switching process is performed in 3 steps and can be of two types, as described below.

Processo de comutação do tipo 1: 1. Liga-se o interruptor Si relativo ao novo estado, mantendo os interruptores do estado anterior:Switching process type 1: 1. Switch the switch Si on the new state, keeping the switches of the previous state:

> Si_novo ON> Si_novo ON

^ Sl_anterior ON^ Sl_anterior ON

> S'i_anterior ON > Os restantes interruptores estão desligados.> S'i_anterior ON > The remaining switches are off.

Neste caso, embora estejam ligados dois semicondutores Si, apenas conduz Si_anterior· Esta situação resulta da estrutura do conversor que é constituído por díodos de ligação com cátodo comum na parte superior. Deste modo, conduz sempre o semicondutor S± que estiver mais à esquerda (índice menor), pois o respetivo díodo tem uma maior tensão de ânodo. 2. Desliga-se o interruptor Si do estado anterior e introduz-se o interruptor S'± relativo ao novo estado:In this case, although two Si semiconductors are connected, it only conducts Si_anterior. This situation results from the structure of the converter which is made up of common cathode connection diodes at the top. In this way, it always conducts the semiconductor S ± that is to the left (lower index), because its diode has a higher anode voltage. 2. Switch the Si switch from the previous state and switch S '± relative to the new status:

> Si_novo ON> Si_novo ON

> S ' i_noVo ON> S 'i_noVo ON

^ S i_anterior ON > Os restantes interruptores estão desligados. 18^ S i_previous ON > The remaining switches are off. 18

Neste caso, embora estejam ligados dois semicondutores S'i, apenas conduz S'i_novo. Esta situação resulta também da estrutura do conversor que é constituído por díodos de ligação com ânodo comum na parte inferior (assumindo que os semicondutores comandados dos respetivos braços estão ligados). Deste modo, conduz sempre o semicondutor S'i que estiver mais à direita (índice maior), pois o respetivo díodo tem uma menor tensão de cátodo. 3. No terceiro passo, desliga-se o interruptor S'i do estado anterior, mantendo os outros dois ligados até que ocorra uma nova comutação:In this case, although two S'i semiconductors are connected, it only conducts S'i_new. This also results from the structure of the converter which is constituted by common anode-linking diodes in the lower part (assuming the commanded semiconductors of the respective arms are connected). In this way, it always leads the semiconductor S'i that is to the right (higher index), because its diode has a lower cathode voltage. 3. In the third step, the switch S'i of the previous state is switched off, keeping the other two switched on until a new switching occurs:

> Si_novo ON> Si_novo ON

> S'i_novo ON > Os restantes interruptores estão desligados.> S'i_novo ON > The remaining switches are off.

Processo de comutação do tipo 2: 1. Liga-se o interruptor S'± relativo ao novo estado, mantendo os interruptores do estado anterior:Switching process type 2: 1. The switch S '± is switched to the new state, keeping the switches of the previous state:

> S'i_novo ON> S'i_novo ON

^ S i_anter ior ON^ S i_anter ior ON

^ S i_anterior ON > Os restantes interruptores estão desligados.^ S i_previous ON > The remaining switches are off.

Mais uma vez, embora estejam ligados dois semicondutores S'i, apenas conduz S' i_anterior · Tal como foi explicado anteriormente, esta situação resulta da ligação com ânodo comum dos díodos na parte inferior do conversor (assumindo que os semicondutores comandados dos respetivos braços estão ligados). Deste modo, conduz sempre o semicondutor S'i que estiver mais à direita (índice maior), pois o respetivo díodo tem uma menor tensão de cátodo. 19 do estado anterior e 2. Desliga-se o interruptor S'± introduz-se o interruptor Si relativo ao novo estado:Again, although two S'i semiconductors are connected, it only conducts S 'i_anterior. As explained above, this results from the common anode connection of the diodes in the lower part of the converter (assuming the commanded semiconductors of the respective arms are connected). In this way, it always leads the semiconductor S'i that is to the right (higher index), because its diode has a lower cathode voltage. 19 of the previous state and 2. The switch S 'is switched off. The switch Si is connected to the new status:

^ S i_novo ON^ S i_novo ON

^ S ' i_novo ON^ S 'i_novo ON

^ Si_anter±or ON > Os restantes interruptores estão desligados.^ Si_anter ± ON > The remaining switches are off.

Por sua vez, neste caso, embora estejam ligados dois semicondutores Si, apenas conduz SiJ10V0, devido à estrutura do conversor que é constituído por díodos de ligação com cátodo comum na parte superior, tal como já foi referido. Deste modo, conduz sempre o semicondutor S± que estiver mais à esquerda (índice menor), pois o respetivo díodo tem uma maior tensão de ânodo. 3. Finalmente, desliga-se o interruptor Si do estado anterior, mantendo os outros dois ligados até que ocorra uma nova comutação:In turn, in this case, although two Si semiconductors are connected, it only conducts SiJ10V0, due to the structure of the converter which is constituted by common cathode connection diodes in the upper part, as already mentioned. In this way, it always conducts the semiconductor S ± that is to the left (lower index), because its diode has a higher anode voltage. 3. Finally, switch the Si switch from the previous state, keeping the other two switched on until a new switching occurs:

^ S i_novo ON^ S i_novo ON

> S'i_novo ON > Os restantes interruptores estão desligados. A existência de dois tipos de comutação permite garantir que a energia flui sempre entre apenas duas células. Este processo é repetido sempre que é necessário comutar os interruptores, permitindo assim a existência de um caminho fechado para a corrente iL, em cada instante, garantindo a continuidade da energia na bobina (5). Outras sequências podem ser usadas, desde que a fatia significativa da energia da bobina (5) seja entregue à célula, ou conjunto de células, com menor carga.> S'i_novo ON > The remaining switches are off. The existence of two types of switching allows to ensure that energy always flows between only two cells. This process is repeated whenever it is necessary to switch the switches, thus allowing the existence of a closed path for the current iL, at each instant, ensuring the continuity of the energy in the coil (5). Other sequences may be used, provided that the significant slice of the energy of the coil (5) is delivered to the cell, or set of cells, with less charge.

Sempre que é sinalizada uma comutação, o sistema de controlo verifica qual era o estado anterior, através da 20 memória (deste modo, o controlador sabe quais eram os semicondutores que estavam a conduzir nesse estado) . Em seguida, verifica qual o tipo de comutação e executa o respetivo processo de 3 passos. É importante referir que durante o processo de comutação é interrompida a ordenação dos estados de carga das células, pelo que é mantido o par de células escolhido antes deste evento.Whenever a switch is signaled, the control system checks the previous state through the memory (so the controller knows which semiconductors were conducting in that state). It then checks the type of switching and performs its 3-step process. It is important to note that during the switching process the ordering of the cell charge states is interrupted, so that the chosen cell pair is maintained before this event.

Nas Figuras 5 a 8 é possível observar o percurso da corrente no conversor, para uma comutação do tipo 1 em que no estado anterior se estava a descarregar a célula Bi (1) e no estado atual pretende-se carregar a célula Bn (4) . Pelas razões referidas anteriormente, no passo 1, referente à Figura 6, o díodo Dn+i (10B) está inversamente polarizado, pelo que não conduz. No passo 2 (Figura 7) acontece a mesma situação com o díodo D'2 (12B). Por outro lado nas Figuras 9 a 12 é ilustrada uma comutação do tipo 2, em que se pretende fazer o inverso, isto é, passar de uma situação em que no estado anterior se estava a carregar a célula Bn (4) e no estado atual pretende-se descarregar a célula Bi (1). Neste caso, no passo 1, referente à Figura 10, é o díodo D'2 (12B) que está inversamente polarizado e no passo 2, referente à Figura 11, é o díodo Dn+i (10B) que não conduz. DESCRIÇÃO DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS (EXEMPLOS) A invenção descrita foi implementada com semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho do tipo Transístor de Porta Isolada Metal Óxido Semicondutor Si (6A) ao semicondutor S'n+i (15A). No entanto, também podem ser utilizados semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho do tipo Transístor Bipolar de Porta 21In Figures 5 to 8 it is possible to observe the current flow in the converter for a type 1 switching in which the cell Bi (1) was discharging in the previous state and in the current state it is intended to load the cell Bn (4) . For the above reasons, in step 1, referring to Figure 6, the diode Dn + i (10B) is inversely polarized, so it does not conduct. In step 2 (Figure 7) the same situation occurs with the diode D'2 (12B). On the other hand, in Figures 9 to 12 there is shown a switching of type 2, in which it is intended to do the reverse, that is, to go from a situation in which in the previous state the cell Bn (4) was being loaded and in the current state the cell Bi (1) is to be discharged. In this case, in step 1, referring to Figure 10, it is the diode D'2 (12B) which is inversely polarized and in step 2, referring to Figure 11, is the diode Dn + i (10B) which does not lead. The described invention has been implemented with power semiconductors controlled for opening and closing of the Isolated Metal Semiconductor Oxide Si Transistor (6A) type to the semiconductor S'n + i (15A). However, power semiconductors controlled for opening and closing of the type Bipolar Transistor 21 can also be used

Isolada, Transístor de Efeito de Campo de Porta Isolada, Tirístor de Corte Comandado, Transístor Bipolar de Junção, Transístor de Indução Estática, Tirístor Controlado por estruturas Metal Óxido Semicondutor ou outro dispositivo com funções análogas.Isolated, Isolated Gate Field Effect Transistor, Commanded Cutting Thyristor, Bipolar Junction Transistor, Static Induction Transistor, Thyristor Controlled by Metal Semiconductor Oxide structures or other device with analogous functions.

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Lisboa, 4 de Dezembro de 2012. 25Lisbon, 4th December 2012. 25

Claims

A switched electronic converter for balancing the state of charge of n cells (1), (2), (3), (4), mounted in series on batteries, based on the modular and extensible concept of polyphase current rectification with n characterized in that it comprises a circuit with a single coil 5 and 2 (n + 1) electronic switches 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, each constituted by a serial association of a power semiconductor controlled to the opening and the closure 6A, 7A, 8A, 9A, 10A), 11A, 12A, 13A, 14A, 15A, with a semiconductor device of the non-commanded power of the diode 6B, 7B, 8B, 9B, (10B), (11B), (12B), (13B), (14B), (15B), or by a semiconductor controlled to the opening and closing 6A, 7A, 8A, 9A, (2A), (11A), (12A), (13A), (14A), (15A), with reverse locking capability, interconnecting all n-cells in series (1), (2), (3), 4).

A converter according to claim 1, characterized in that it contains two possible paths for the electric current to the terminals of each of the n cells in series (1), (2), (3), (4), in an open polygon , one of said paths by the unidirectional switches 6 and 12, 7 and 13, 8 and 14, 9 and 15 unloads a given cell and the other path by the unidirectional switches 11 and 7, 12 and 8, 13 and 9, 14 and 10, charges said cell.

A converter according to the previous claims, characterized by the use of a single coil (5) for the exchange of energy between the n series cells (1), (2), (3), (4), for (7A), (9A), (10A), (11A), (12A), (13A), and the like, ), (14A), (15A), which may be of the Isolated Gate Field Effect Transistor, Isolated Gate Bipolar Transistor, Command Cut Thyristor, Bipolar Junction Transistor, Static Induction Transistor, Metal Structure Controlled Thyristor Semiconductor oxide or any other device having similar functions, together with semiconductor power units of the type diode 6B, 7B, 8B, 9B, 10B, 11B, 12B, (13B), (14B), (15B), or by Isolated Gate Bipolar Transistors, Controlled Thyristor Thyristors, Controlled Thyristors Me such as a semiconductor oxide, or any other device capable of supporting the inverse voltages 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, , (15), for routing the energy of the most charged cells of the battery to the less charged ones using unidirectional currents, or using bi-directional currents consisting of semiconductors or associations of semiconductors with capacity to block direct and inverse voltages and direct current and reverse.

A converter according to the preceding claims characterized by the formation of electric subcircuits for the transfer of energy from the most charged cell to the least-charged cell or sets of cells whose charge is to be reduced to cells or sets of cells whose charge if it intends to increase without passing through cells other than the said ones. 2

A three-phase current switching process using the converter defined in the preceding claims, characterized in that at each instant the n-series cells (1), (2), (3), (4) are sorted in ascending order (5), configuring the state i_previous, and from this to the less loaded cell, configuring the i_novo state, either when passing between cells from lower index to cells of higher index according to the following steps: in step 1, they remain connected only Si_anterior s S_previous connects Si_novo; in step 2, remains connected to the above and only binds SiOn and S'i novo; in step 3 only Si_noVo and S'i_n0vo are bound; or when it is passed between cells of higher index to cells of lower index, according to the following steps: in step 1 only the above Si and above are bound together and ligated to each other; in step 2 remain Si- and Si-bonded, and Si is further bonded; and in step 3 only S'i_novo and Si_novof are connected by repeating this process until balancing, under a margin of error or imbalance between 0% and a few percentage points, the states of charge of said cells, directing the energy cell to the less-charged cell.

A three-step current switching process according to claim 5, which uses the converter defined in claims 1 to 4, characterized in that it only starts operating if the initial error between the states of charge of the pair of cells of greater and lower load state is greater than a pre-set maximum value. 3

A three-stage current switching process according to claims 5 and 6, using the converter defined in claims 1 to 4, characterized by balancing the state of charge of the n-series cells (1), ( 2, 3, 4 during charging of the battery or discharge of said battery using a feedback controller fed back into the coil 5 which compensates for the charge or discharge current of the battery.

Use of the converter defined in claims 1 to 4, characterized by the application in equilibrium of the state of charge or discharge of storage elements of electrical, thermal magnetic or chemical energy, including supercapacitors, capacitors, superconducting coils or not, fuel cells , photovoltaic or thermoelectric systems, among others. Lisbon, December 4, 2012. 4