(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

Transkript

1 (12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP 2370 B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. B60L 3/00 (06.01) B60L 11/18 (06.01) H01G 9/00 (06.01) H01M /02 (.01) H01M /42 (06.01) H01M /44 (06.01) H01M /46 (06.01) H02J 7/00 (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet (86) Europeisk søknadsnr (86) Europeisk innleveringsdag (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato () Prioritet.02.0, FR, (84) Utpekte stater AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR (73) Innehaver Commissariat à l'énergie Atomique et aux Énergies Alternatives, Bâtiment "Le Ponant D" 2, rue Leblanc, 701 Paris, FR-Frankrike (72) Oppfinner MERCIER, Sylvain, 21 rue du Foyer, F-381 Saint Egreve, FR-Frankrike CHATROUX, Daniel, Le Village, F Teche, FR-Frankrike DAUCHY, Julien, Le Gervan, F Chatte, FR-Frankrike FERNANDEZ, Eric, 16 Lotissement Le Moulin, F Saint Paul De Varces, FR- Frankrike (74) Fullmektig Tandbergs Patentkontor AS, Postboks 170 Vika, 0118 OSLO, Norge (4) Benevnelse BALANSERINGSSYSTEM FOR AKKUMULATORBATTERIER (6) Anførte publikasjoner US-A US-A US-A US-A

2 Beskrivelse [0001] Oppfinnelsen dreier seg om et balanseringssystem til elektrokjemiske akkumulatorbatterier som særlig kan brukes på området for elektrisk eller hybrid transport og luftbårne systemer. Oppfinnelsen dreier seg spesielt om batterier av typen litium-ion (Li-ion) som er godt tilpasset til denne typen applikasjoner, på grunn av at de kan lagre en stor energi med en liten masse. Oppfinnelsen kan også brukes til superkondensatorer. [0002] En elektrokjemisk akkumulator har en nominal spenning i en utstrekning på noen volt og mer nøyaktig 3,3 V for Li-ion-batterier basert på jernfosfat og 4,2 V for en Li-ion-teknologi basert på koboltoksid. Hvis denne spenningen er for svak jevnført med behovene til systemet som skal strømforsynes, plasseres flere akkumulatorer i serie. Det er også mulig å plassere parallelt med hver sammensluttet akkumulator i serie, en eller flere akkumulatorer parallelt for å øke den disponible kapasiteten og levere sterkere strøm og effekt. De sammensluttede akkumulatorene i parallell danner på denne måten et nivå. Et nivå består minst av en akkumulator. Nivåene blir satt i serie for å nå den ønskede spenningen. Sammenslutningen av akkumulatorer kalles et akkumulatorbatteri. [0003] Ladingen eller utladingen av en akkumulator skjer respektivt ved en vekst eller nedgang i spenningen ved klemskruene. Man anser at en akkumulator er ladet eller utladet når den har nådd et spenningsnivå som er definert av den elektrokjemiske prosessen. I en krets som bruker flere nivåer av akkumulator(er), er strømmen som sirkulerer gjennom nivåene den samme. Ladings- eller utladningsnivået i nivåene avhenger dermed av akkumulatorenes særegne karakteristikker, det vil si den særegne kapasiteten og de interne forstyrrende motstandene i serie og parallelle, i elektrolytten eller i kontakten mellom elektrodene og elektrolytten. Forskjeller i spenning mellom nivåene er følgelig mulige på grunn av en uensartethet i produksjon og aldring. [0004] For en akkumulator i Li-ion-teknologien, kan en spenning som er for høy eller for svak, kalt spenningsgrense, skade eller ødelegge den. For eksempel kan overbelastningen av en Li-ion-akkumulator basert på koboltoksid føre til en mangel på termisk kontroll og brannoppstart. For en Li-ion-akkumulator basert på jernfosfat, fører en overbelastning til spalting av elektrolytten som minsker dennes livslengde eller som kan skade akkumulatoren. En for stor elektrisk utladning som fører til en spenning som er mindre enn 2 V, for eksempel, fører hovedsakelig til en oksidering av strømsamleren til den negative elektroden når denne er av kobber og dermed en forringing av akkumulatoren. Dermed er overvåkningen av spenningene ved klemskruene i hvert nivå med akkumulator(er) obligatorisk ved ladingen eller utladingen på grunn av sikkerheten og påliteligheten. En innretning kalt til parallell overvåkning av hvert nivå gjør det mulig å besørge denne funksjonen.

3 [000] Innretningen til overvåkning har som funksjon å følge tilstanden med lading og utlading av hvert nivå med akkumulator(er) og overføre informasjonen til kontrollkretsen for å stanse ladingen eller utladingen av batteriet når et nivå har nådd spenningsgrensen. Imidlertid, på et batteri med flere nivåer av akkumulator(er) som er plasserte i en serie, hvis ladingen stanses når nivået som er mest ladet når spenningsgrensen, trenger ikke de andre nivåene å være helt ladde. Og motsatt, hvis utladingen blir stanset når det mest utladde nivået når spenningsgrensen, trenger ikke de andre etasjene å være helt utladde. Dermed blir ikke ladingen av hvert nivå av akkumulator(er) utnyttet på en optimal måte, hvilket er et stort problem i applikasjoner av typen transport og luftbåret som har sterke krav til autonomi. For å bøte på dette problemet, er overvåkningsinnretningen vanligvis forbundet med en balanseringsinnretning. [0006] Balanseringsinnretningen har som funksjon å optimere ladingen av batteriet og dermed batteriets autonomi ved å føre akkumulator(ene)s nivåer som er satt i en serie til en identisk tilstand for lading og/eller utlading. Dokumentet US 08/11680 A1 beskriver et balanseringssystem for ladingen av batteriet. Det finnes to kategorier for balanseringsinnretninger, balanseringsinnretninger kalt til fjerning av strøm, eller kalt til overføring av strøm. [0007] Med balanseringsinnretningene til fjerning av strøm, er spenningen ved klemskruene i nivåene utjevnet ved å avlede strømmen til lading fra et nivå eller nivåene som har nådd spenningsgrensen. Som en variant, blir spenningen ved klemskruene i nivåene utjevnet ved å utlade et nivå eller nivåene som har nådd spenningsgrensen. Imidlertid har slike balanseringsinnretninger med fjerning av strøm en betydelig ulempe ved at de forbruker mer strøm enn nødvendig for å lade batteriet. Faktisk må man utlade flere akkumulatorer eller avlede strømmen til lading fra flere akkumulatorer for at den eller de siste akkumulatorene som er litt mindre ladde avslutter ladingen. Den fjernede strømmen kan altså være mye større enn strømmen til ladingen eller ladingene som skal avsluttes. I tillegg, fjerner de den ekstra varmeenergien, hvilket ikke er kompatibelt med kravene til samordning i applikasjoner av typen transport og luftbåret, samt det faktum at livslengden til akkumulatorene blir veldig forkortet når temperaturen blir høyere. [0008] Balanseringsinnretningene med strømoverføring utveksler strømmen mellom akkumulatorbatteriene eller et ekstra strømnettverk og nivåene til akkumulator(ene). [0009] Man kjenner for eksempel fra patent US69237 en innretning som muliggjør strømoverføringen fra et ekstra nettverk til nivåer ved en «flyback»-struktur med flere utganger ved bruk av en induktans koblet som et lagringselement. Denne sistnevnte er en spesifikk komponent siden den er tilegnet til denne applikasjonen. Dermed er kostnaden til en slik komponent altfor høy jevnført med funksjonen den skal fylle.

4 3 1 [00] Man kjenner dessuten fra patent CN19029 en innretning som muliggjør strømoverføringen fra nivåene til batteriet og som bruker en induktans per akkumulator som lagringselement. Imidlertid, så velger ikke denne innretningen en optimert strømoverføring til balanseringen av batteriene i applikasjoner av typen transport og luftbåret. Faktisk blir slutten på ladingen av et batteri bestemt av det siste nivået som når spenningsgrensen. For å avslutte ladingen av et batteri, blir strømmen trukket ut av et eller flere nivåer og den blir frigjort til helheten av nivåer. Når et eller flere nivåer med akkumulator(er) er litt mindre ladde, blir dermed ikke strømmen overført først og fremst til denne eller disse sistnevnte som trenger den, men også til nivåene som strømmen blir trukket ut av. Balanseringen krever dermed å trekke ut strøm fra helheten av nivåene ved slutten av ladingen, for å unngå å lade dem med en for stor spenning. Balanseringen utføres dermed med store tap på grunn av det store antallet av omformere som er i drift. I tillegg, blir akkumulatorene som allerede er ferdig ladde gjennomgått av komponenter av vekselstrøm eller likestrøm som er unyttige. [0011] Oppfinnelsen har altså som målsetning å foreslå et forbedret balanseringssystem for oppladningen som ikke har disse ulempene til den nåværende teknologien. [0012] Med denne hensikten, har oppfinnelsen som formål å lage et balanseringssystem for oppladningen av batterier som omfatter minst to nivåer med akkumulatorer som er satt i serie, hvert nivå omfatter en akkumulator eller minst to akkumulatorer som er parallellkoblet, karakterisert ved at det nevnte systemet omfatter: - for hvert nivå av akkumulatorer, en tilhørende oppladningsinnretning som omfatter: 2 3 minst en induktans til å lagre strøm, minst en første og minst en andre diode, slik at den nevnte første dioden er forbundet med den negative polen til det nevnte nivået av akkumulatoren ved sin anode og ved sin katode til en av de to ytterkantene til induktansen, og den nevnte andre dioden er forbundet ved den positive polen til det nevnte nivået til akkumulatoren ved sin katode og til den andre ytterkanten av induktansen ved sin anode, minst en første og minst en andre styrt bryter, slik som den nevnte første bryteren er forbundet med den negative polen i batteriet og med anoden til den andre dioden, og den andre nevnte styrte bryteren er forbundet med den positive polen i batteriet og med katoden til den første dioden, og ved at det nevnte systemet i tillegg omfatter - en styringsinnretning av de nevnte ladingsinnretningene, konfigurert for å lukke de nevnte bryterne til en ladingsinnretning som er forbundet med et nivå av

5 4 akkumulatorer som skal lades, slik at den nevnte minst ene induktansen lagrer strøm for å åpne de nevnte styrte bryterne, slik at man overfører strømmen til det forbundne nivået med akkumulatorer [0013] Det nevnte balanseringssystemet kan i tillegg omfatte en eller flere av de følgende karakteristikkene, som er tatt separat eller kombinert: - styringsinnretningen er konfigurert for å lukke samtidig de nevnte første og andre styrte bryterne til den samme ladingsinnretningen som skal lades, - styringsinnretningen er konfigurert for å åpne de nevnte styrte bryterne ved slutten av en forhåndsbestemt periode med leding av elektrisitet, - den nevnte ladingsinnretningen er konfigurert for å operere i en avbrutt leding av elektrisitet, uavhengig av spenningsnivåene i det tilhørende nivået for akkumulatorer og i batteriet i løpet av en ladingsfase, - den forhåndsbestemte perioden for leding av elektrisitet er beregnet slik at ladingsinnretningen for hvert nivå med akkumulatorer opererer i en avbrutt leding av elektrisitet, - styringsinnretningen er konfigurert for å lukke og åpne de nevnte første og andre styrte bryterne til en ladingsinnretning respektivt ifølge en periode til leding av elektrisitet og en åpningstid som er konstante i løpet av en ladingsfase, - styringsinnretningen er konfigurert for å styre respektivt ladingsinnretningene ved klemskruene til nivåene til akkumulatorer som skal lades, på en måte som er forskjøvet i tid, - det nevnte batteriet omfatter minst en elementær modul, den nevnte minst en elementære modulen omfatter en mangfoldighet av nivåer av akkumulatorer i serie, og det nevnte systemet omfatter i tillegg en ekstra ladingsinnretning ved klemskruene til den nevnte minst en elementære modulen, - det nevnte batteriet omfatter en mangfoldighet av elementære moduler som er plasserte i serie og ved at det nevnte systemet omfatter en ekstra ladingsinnretning ved klemskruene til hver av modulene til et forhåndsbestemt antall elementære moduler, - den nevnte minst en induktans har en ekstra vinding på selvinduksjonsspolen for å lade en tilknyttet forsyning, - det nevnte balanseringssystemet omfatter en målingsinnretning for spenningen for hver konfigurert akkumulator for å oversende spenningsinformasjon til styreinnretningen, - akkumulatorene er av typen litium-ion, - batteriet omfatter superkondensatorer.

6 [0014] Oppfinnelsen dreier seg også om en ladingsinnretning til et balanseringssystem for lading, slik det blir definert heretter. [001] Andre karakteristikker og fordeler med oppfinnelsen vil komme tydeligere frem ved lesningen av den følgende beskrivelsen som er oppgitt som et illustrerende eksempel som ikke er begrensende og vedlagte tegninger, blant hvilke: figur 1 er en sammenfattende skjematisk visning av et batteri som omfatter nivåer av akkumulatorer som er satt i serie og et balanseringssystem til lading av batteriet, - figur 2 illustrerer en sammenfattende skjematisk visning av et eksempel for utførelse av en ladingsinnretning til balanseringssystemet i figur 1, - figur 3 viser en sammenfattende visning av batteriet og balanseringssystemet i figur 1 med en ladingsinnretning i figur 2, - figur 3' illustrerer en sammenfattende visning av et eksempel på utførelse av en ladingsinnretning til balanseringssystemet i figur 1 i en kontinuerlig modus for leding av elektrisitet, - figur 4a er en skjematisk fremstilling som illustrerer på en skjematisk måte et eksempel på utførelse av styringen av ladingsinnretninger for balanseringssystemet i figur 1, - figur 4b er et diagram som er forbundet med figur 4a og er en skjematisk visning av styringssignalene, - figur er et skjematisk sammendrag av et batteri som omfatter en mangfoldighet av elementære moduler satt i serie som hver omfatter et forhåndsbestemt antall av nivåer av akkumulatorer som er satt i serie og et balanseringssystem for lading av batteriet, - figur 6 er en skjematisk visning av et sammenfattende skjema av en ladingsinnretning koblet til et ekstra nettverk som skal strømforsynes, - figur 7 illustrerer et skjematisk sammendrag av batteriet og av balanseringssystemet i figur 3, hvor man har indikert utviklingen til de forskjellige strømmene når bryterne til ladingsinnretningen er passerende og når diodene til ladingsinnretningen er passerende, - figur 8 er et diagram som illustrerer strømmens utvikling avhengig av tiden i ladingsinnretningen i figur 2 og i nivået med akkumulatorer som er forbundet med ladingsinnretningen, - figur 9 er en skjematisk visning av operasjonen til en ladingsinnretning ifølge en første simulering og en andre simulering, - figur illustrerer strømmens utviklingskurver avhengig av tiden for den første simuleringen i figur 9, og

7 6 - figur 11 illustrerer strømmens utviklingskurver avhengig av tiden for den andre simuleringen i figur [0016] I disse figurene, har elementer som er omtrent identiske de samme referansene. [0017] Figur 1 viser et akkumulatorbatteri 1. Dette batteriet 1 består av N nivåer, merket Et i som er seriekoblet. Hvert nivå Et i består av en akkumulator eller flere akkumulatorer A ij som er parallellkoblet. Tegnet i viser her nivåets nummer, dette tegnet i varierer i det illustrerte eksempelet i figur 1 fra 1 til N, og tegnet j viser nummeret på hver akkumulator i et visst nivå, dette tegnet j varierer i det illustrerte eksempelet fra 1 til M. Klemskruene til akkumulatorene A ij på det samme nivået Et i er sammenkoblet ved hjelp av elektriske koblinger, slik at hvert nivå Et i også er koblet til de nærliggende nivåene Et i ved hjelp av elektriske koblinger. Balanseringssystem til lading [0018] Oppfinnelsen har som hensikt å lage et balanseringssystem 2 til et slikt akkumulatorbatteri 1 som minst omfatter to nivåer av akkumulatorer Et i som er satt i serie. [0019] Dette balanseringssystemet 2 omfatter en styringsinnretning 3 og en mangfoldighet av identiske ladingsinnretninger per nivå Et i av akkumulator(er). [00] Hver ladingsinnretning er koblet til den negative polen, merket N i og til den positive polen merket P i til hvert nivå av akkumulator(er) Et i og også til den positive polen merket P og den negative polen merket N til akkumulatorbatteriet 1. Ladingsinnretningene er styrt av styringsinnretningen 3. [0021] I eksempelet som er illustrert i figurene 2 og 3, er en ladingsinnretning forbundet med et nivå Et i for eksempel nivået Et 1 i figur 3 som omfatter: - en induktans L1 i, L1 1, - en første diode D1 i, D1 1 hvor anoden og katoden er respektivt koblet til polen N i, N 1 til et nivå og til den første ytterkanten til induktansen L1 i, L en andre diode D2 i, D2 1 hvor anoden og katoden er respektivt koblet til den andre ytterkanten til induktansen L1 i, L1 1 og til polen P1 i, P1 1 til det samme nivået, - en første bryter SW1 i, SW1 1 koblet til anoden til dioden D2 i, D2 1 og klemskruen N til batteriet, - en andre bryter SW2 i, SW2 1 som er koblet til katoden i dioden D1 i, D1 1 og klemskruen P i batteriet.

8 [0022] Ifølge et alternativ, bruker man to styrte brytere i stedet for diodene D1 i, D1 1 og D2 i, D2 1. En likeretting kalt av typen synkron er så mulig. Kapasiteten til kretsen kan økes takket være minskingen av fallet i spenning i komponentens passerende tilstand. [0023] Denne ladingsinnretningen skiller seg fra tilstanden i den tidligere teknologien i den forstand at den ikke har noen felles referanse mellom inngangen og utgangen, slik er tilfellet for en montering av typen «buck-boost», og i den utstrekningen at man ikke bruker noen omformer, slik det er tilfellet i en montering av typen «flyback». [0024] En variant for utførelsen består i å legge til en tilkoblet kapasitet mellom de positive polene P i og negative N i til hvert nivå med akkumulator(er). Kondensatoren er konfigurert for å filtrere bølgebevegelsen til strømmen som kommer fra ladingsinnretningen. En glattet likestrøm forsynes på denne måten til hvert nivå av akkumulator(er). [002] Det er også mulig å legge til en kondensator (ikke vist) mellom klemskruene N og P i batteriet. Den er konfigurert for å filtrere bølgebevegelsen på grunn av ladingsinnretningen. På denne måten, blir strømmen som er forsynt fra batteriet glattet ut. [0026] Ladingsinnretningen (figur 2) fungerer like godt i et system med avbrutt eller uavbrutt leding av elektrisitet. [0027] Operasjonen i et system med avbrutt leding av elektrisitet er å foretrekke for den innebærer fordelen med å være lettere å iverksette og kan utføres på en rimeligere måte. Faktisk, i en modus med avbrutt leding av elektrisitet, blir strømmen til induktansen L1 i annullert per definisjon før hver periode til styresignalet til bryterne SW1 i og SW2 i. Induktansen L1 i blir annullert per definisjon før hver periode med styresignalet til bryterne SW1 i og SW2 i. Verdien til strømmen som går gjennom induktansen L1 i, når de to bryterne er av, kan trekkes fra spenningen som blir påført på klemskruene til induktansen L1 i, fra tiden for lagring av strømmen i induktansen L1 i og fra verdien til denne siste. [0028] Dermed, og i motsetning til operasjonen i modusen uavbrutt leding av elektrisitet (figur 3'), er det ikke lenger nødvendig å iverksette en strømsensor 12 forbundet med en reguleringsløkke 13 og med en referansevariabel til strømmen 1, samt til en kontrollinnretning til strømmen 14, for eksempel oppdeling i modulasjon av impulsbredden til transistorene SW1 i og SW2 i som fungerer som brytere, for hvert av nivåene med akkumulatorer Et i i serie. [0029] Dessuten, i modusen for avbrutt leding av elektrisitet, kan styringen av bryterne SW1 i og SW2 i i modulasjon av impulsbredden erstattes av en styring i en fast tid til leding av elektrisitet.

9 [00] Ifølge et eksempel på en metode for utførelse av styringen av ladingsinnretningene av styreinnretningen 3, så bruker man en unik klokke 6, en ventil til forskyvning 7 og styrte brytere eller logiske funksjoner «ET» 8 (figurene 4a, 4b). [0031] Registeret til forskyvning 7 unngår at bryterne SW1 i og SW2 i til de forskjellige ladingsinnretningene til de forskjellige nivåene Et i blir slått av samtidig, hvilket ville føre til en for stor elektrisk utladning. Inngangssignalet E til registeret til forskyvning 7 leveres av styringsinnretningen 3. Denne siste styrer også en av de to inngangene til hver logisk funksjon «ET» 8. Den andre inngangen til hver logisk funksjon «ET» er koblet til en utgang til registeret til forflytting 7. Styringen av en ladingsinnretning er effektiv når de to inngangene til den logiske funksjonen «ET» 8 er i en høy tilstand. [0032] Denne styringen gjør det mulig å minimere den øyeblikkelige strømmen som forbrukes av styringskretsen i motsetning til en styring hvor alle ladingsinnretningene styres samtidig. I tillegg, gjør denne styringen det mulig å redusere den effektive strømmen levert av batteriet 1 sammenlignet med en synkronisert styring av ladingsinnretningene og dermed en minimering av dennes oppvarming. [0033] Dessuten, med referanse i figur, når man bruker et betydelig antall nivåer Et i av akkumulator(er) i serie, slik det er tilfellet for elektriske kjøretøyer med omkring hundre akkumulatorer i serie for eksempel, kan batteriet 1 utgjøres av elementære moduler 9 som er satt i serie, hver elementær modul 9 omfatter et forhåndsbestemt antall nivåer med akkumulatorer Et i satt i serie. Ti til tolv nivåer satt i serie ved en elementær modul 9 er et eksempel. [0034] Dermed er tilkoblingen av bryterne SW1 i og SW2 i til ladingsinnretningene gjort ved klemskruene til ti til tolv nivåer Et i. Varigheten av spenningen til dioder og styrte brytere er begrenset, avhengig av teknologien av Li-ion-batteriet, på omtrent 4 V - 60 V, som er en standardisert verdi for varighet av spenning i området til halvledere. Vedlikeholdet av et konsekvent antall av elementære moduler 9, slik tilfellet er med elektriske kjøretøyer, blir forenklet. [003] Ifølge en variant for utførelse, bruker man i tillegg ladingsinnretninger per nivå av akkumulator(er) Et i til identiske ladingsinnretninger ved å sette N nivåer Et i i serie som danner en elementær modul 9. Figur illustrerer som et eksempel denne varianten til en tilkobling av ladingsinnretningene til klemskruene til N nivåer av akkumulator(er) til en elementær modul 9 og til en forbindelse i serie av tre elementære modulene 9 eller tre ganger N nivåer Et i. Ifølge denne varianten, utgjøres koblingen til bryterne SW1 i og SW2 i til ladingsinnretningene ved klemskruene til en elementær modul 9, ved klemskruene til batteriet 1. Denne varianten gjør det mulig å overføre strøm mellom de N nærliggende nivåene, og altså de elementære modulene 9 som er forbundet i serie.

10 9 1 [0036] Man kan også bruke en eller flere av ladingsinnretningene som er implementert ved klemskruene til N nivåer satt i serie for å levere strøm til et ekstra nettverk, slik som for eksempel 12 V for kjøretøyene (figur 6). En ekstra innretning 11 blir så koblet til en ladingsinnretning. Induktansen til lagring til ladingsinnretningen er erstattet i dette tilfellet med en koblet induktans L2 i. Den ekstra innretningen 11 omfatter en diode til likeretting D3 og en kondensator til lagring C1, plasserte i annen rekke av den koblede induktansen L2 for å danne en struktur av typen «flyback». Strømforsyningen til det ekstra nettverket blir kontrollert av en bryter SW3 som er implementert mellom dioden til likeretting D3 og kondensatoren til lagring C1. Denne bryteren SW3 blir styrt av styreinnretningen 3. [0037] Dessuten kan balanseringssystemet 2 omfatte en målingsinnretning av spenningen (ikke vist) for å måle spenningen i hvert nivå med akkumulatorer Et i og for å overføre informasjon om spenningen til styreinnretningen 3 som ut ifra denne informasjonen kan bestemme om et nivå med akkumulatorer Et i bør være ladet og dermed styre ladingsinnretningen som er forbundet når det er tilfellet. Operasjon av balanseringssystemet i en avbrutt leding av elektrisitet 2 3 [0038] Operasjonen av balanseringssystemet 2 blir beskrevet heretter med referanse til figurene 7 og 8. [0039] Når styreinnretningen 3 styrer en strømoverføring til nivået Et i, så er nivået Et 1 i det illustrerte eksempelet, bryterne SW1 1 og SW2 1 til ladingsinnretningen parallelt med det tilsvarende nivået Et 1 slått av samtidig i løpet av en periode med leding av elektrisitet t1. Strømsirkulasjonen i løpet av denne perioden med leding av elektrisitet t1 er vist på en skjematisk måte med stiplede linjer i figur 7. [0040] Induktansen L1 1 lagrer deretter strøm. Strømmen il1 1 gjennom induktansen L1 1 vokser proporsjonalt med spenningen som brukes på dennes klemskruer, og er lik spenningen til N nivåer (figur 8). I løpet av denne perioden, er diodene D1 1 og D2 1 blokkerte. Dioden D1 1 har ved klemskruene en spenning som er lik spenningen i nivåene som er plasserte under nivået som den er forbundet med, minus spenningen i batteriet. Dioden D2 1 har på sin side ved klemskruene en spenning som er lik spenningen til nivåene som er plasserte over nivået som den er koblet til minus spenningen til batteriet. Maksimalt er den motsatte spenningen sett fra dioden D1 1 eller D2 1 lik spenningen i akkumulatorbatteriet. [0041] Etter perioden t1, slår bryterne SW1 1 og SW2 1 seg på samtidig. Strømmen il1 1 i induktansen L1 1 når i dette øyeblikket en verdi pic lpic som er lik spenningen som brukes ved klemskruene til induktansen når bryterne SW1 1 og SW2 1 er slått av, multiplisert med t1 og delt på induktansens verdi.

11 1 [0042] Etter perioden t1 og helt til slutten av operasjonstiden T til ladingsinnretningen, er bryterne SW1 1 og SW2 1 i påslått tilstand; diodene D1 1 og D2 1 er passerende helt til annulleringen av strømmen i induktansen L1 1. Strømsirkulasjonen i løpet av denne fasen er vist på en skjematisk måte ved veksling mellom to prikkede linjer og en bindestrek i figur 7. Strømmen il1 1 gjennom induktansen L1 1 minsker proporsjonalt med spenningen som brukes ved klemskruene og er minst lik spenningen i nivået med akkumulator(er) Et 1 minus fallet i spenning i de to diodene D1 1 og D2 1 i serie med denne (figurene 7 og 8). Bryteren SW1 1 har ved sine klemskruer en spenning som er lik spenningen i nivåene som er plasserte under nivået som den er koblet til, pluss spenningen i nivået som den er koblet til og pluss spenningen i fasen som passerer til dioden D2 1. Bryteren SW2 1 har på sin side ved sine klemskruer en spenning som er lik spenningen til nivåene som er plasserte under nivået som den er koblet til, pluss spenningen i nivået Et 1 som den er koblet til og pluss spenningen i fasen som passerer til dioden D1 1. Maksimalt er den direkte spenningen sett av bryteren SW1 1 eller SW2 1 lik spenningen til akkumulatorbatteriet 1. [0043] Operasjonen til ladingsinnretningen er identisk uansett hvilket nivå med akkumulatorer Et i som den er koblet til og gjør det dermed mulig å fortsette ladingen av visse nivåer. Dimensjonering Overført til ligninger 2 [0044] Dimensjoneringen av ladingsinnretningen i figur 2 følger av å lage ligninger for operasjonen som er beskrevet tidligere. De oppsatte ligningene under er allmenngyldige. Derfor er spenningen ved inngangen og utgangen respektivt kalt Ve og Vs. Ve viser spenningen mellom de negative klemskruene N og positive P til batteriet 1. Spenningen Vs viser spenningen mellom de negative klemskruene Ni og positive P i til et nivå av akkumulator(er) Et i. [004] Når bryterne SW1 i og SW2 i til den samme ladingsinnretningen er av i løpet av en periode med leding av elektrisitet t1, øker strømmen i induktansen L1 i (il1 i ). Hvis man ikke tar hensyn til fallet i spenning i den passerende tilstanden til bryterne, skrives strømmen il1 i (t) i induktansen L1 i : 3 [0046] Etter perioden t1, slås bryterne SW1 i og SW2 i på og strømmen i induktansen il1 i når verdien pic lpic:

12 11 [0047] Etter perioden t1 og helt til strømmen il1 i blir annullert, leder diodene D1 i og D2 i til den samme ladingsinnretningen. Strømmen il1 i i induktansen minsker ifølge den følgende loven, med Vd fallet i spenningen i den passerende tilstanden til dioden. [0048] Fasen til operasjonen som tilsvarer en strøm lik null, når diodene er blokkerte, helt til slutten av perioden T definerer modusen for avbrutt leding av strøm. [0049] Ut ifra ligningene 2 og 3, kan perioden t1 med leding av strøm som ikke må overskrides (t1 (maks) ) slik at ladingsinnretningen fungerer i en avbrutt leding av strøm defineres. Denne tiden blir bestemt ved å ta hensyn til at strømmen i induktansen blir annullert i T. For å ta hensyn til det verste tilfellet, må perioden t1 (maks) evalueres for den maksimale spenningen ved inngangen Ve og den minimale spenningen ved utgangen Vs. I tillegg, kan fallet i spenningen til diodene overses for å vurdere det verste tilfellet. 1 [000] Strømmen ved utgangen av ladingsinnretningen er lik strømmen som blir ført av diodene D1 i og D2 i. Den gjennomsnittlige strømmen ved utgangen til en ladingsinnretning er beregnet ut ifra ligningen. Den gjennomsnittlige strømmen ved utgangen (ls (moks) ) er proporsjonal med kvadratet av spenningen ved inngangen Ve 2 og motsatt proporsjonal med spenningen ved utgangen Vs og med fallet i spenning til diodene D1 i og D2 i. For å levere den ønskede gjennomsnittlige strømmen uansett spenning i nivået med akkumulatorer Et i, må man ta hensyn til den maksimale spenningen ved utgangen og den minimale spenningen ved inngangen. 2 [001] Strømmen i det ladde nivået eller nivåene er ikke lik strømmen ved utgangen av ladingsinnretningen. Faktisk blir strømmen som er lagret av induktansen L1 i til en ladingsinnretning levert av batteriet 1 med akkumulator(er). Denne strømmen blir så levert av nivået eller nivåene som blir ladet. Strømmen som blir levert til nivået eller

13 12 nivåene til de ladde akkumulator(ene) er altså lik den algebraiske summen mellom minus strømmen gjennom bryterne SW1 i og SW2 i pluss strømmen som er ledet av diodene D1 i og D2 i. Ved å vurdere N, blir antall ladingsinnretninger i operasjon, den gjennomsnittlige verdien av strømmen i det ladde nivået eller nivåene (IEt (moy) ) oppnådd ved hjelp av ligningen 6. For ligningen 6 under, så vurderer man at i den samme perioden for operasjon T, blir strømmen levert av batteriet 1 til ladingsinnretningene og fra ladingsinnretningene til nivåene Et i. Hvis antall ladingsinnretninger i operasjon er lik antall nivåer Et i koblet til inngangen til ladingsinnretningene, er den gjennomsnittlige strømmen i nivåene lik 0. Eksempler 1 2 [002] For å illustrere ligningene som er innsatt tidligere, blir dimensjoneringen av to ladingsinnretninger vurderte. [003] Den første dreier seg om en ladingsinnretning som gjør det mulig å fortsette med ladingen av et nivå Et i og som er koblet til klemskruene til ti nivåer. [004] Den andre dreier seg om en ladingsinnretning som gjør det mulig å fortsette med ladingen av en forbindelse i serie med ti nivåer og som er koblet til klemskruene til hundre nivåer, det vil si til klemskruene til ti forbindelser i serie, hvor hver består av ti nivåer i serie. [00] Dimensjoneringen til ladingsinnretningen er delt i 2 etapper, det vil si aller først beregningen av perioden t1 leding av varme til bryterne SW1 i og SW2 i for en operasjon av ladingsinnretningen i en avbrutt leding av elektrisitet (ligning 4), og så beregningen av verdien L1 i for å levere ved utgangen av ladingsinnretningen den ønskede gjennomsnittlige strømmen (ligning ). [006] Hypotesene for dimensjoneringen av to ladingsinnretninger er de følgende: - gjennomsnittlig strøm ved utgangen (minimum, ls (moy) ): 1 A - frekvens for operasjon (F): 0 khz, eller T = 1/F = µs - spenning til en akkumulator (Li-ion basert på jernfosfat): 3 minimal spenning: 2, V maksimal spenning: 3,6 V fall i spenningen i den passerende tilstanden til diodene (Vd): rask diode (type Schottky): 0,3 V - 0,7 V bipolar diode: 0,6 V - 1,0 V

14 13 [007] For de to ladingsinnretningene blir perioden t1 (maks) beregnet ved bruk av det minimale fallet i spenning til diodene D1 i og D2 i, den maksimale spenningen ved inngangen og den minimale spenningen ved utgangen av ladingsinnretningen. Så blir den maksimale induktansen L1 i beregnet ved å bruke det maksimale fallet i spenning til diodene og den minimale spenningen ved inngangen og den maksimale ved utgangen av ladingsinnretningen. [008] For en ladingsinnretning som gjør det mulig å lade et nivå Et i, blir perioden t1 og induktansen L1 i oppgitt under (resultat 1). Raske dioder av typen Schottky blir tatt hensyn til. [009] For en ladingsinnretning som gjør det mulig å lade en forbindelse i serie på ti nivåer, blir perioden t1 og induktansen L1 i oppgitt under. Man tar hensyn de bipolare diodene. 1 [0060] I disse eksemplene, er L1 en maksimal verdi. Man kan imidlertid av grunner for systemets robusthet, bruke induktansene til svakere verdier. 2 Simuleringer [0061] Som et eksempel, er to resultater av simuleringer illustrerte for en ladingsinnretning i operasjon som gjør det mulig å lade et nivå (figur 9). [0062] Batteri 1 med akkumulatorer som i dette eksempelet består av en forbindelse i serie av ti nivåer med akkumulatorer som hver omfatter en akkumulator. En akkumulator er vist av en spenningskilde Vi og en intern motstand Ri i serie, som er lik

15 14 0,0 ohms per akkumulator. For at skjemaet skal bli mer lettlest, blir akkumulatorene over og under akkumulatoren i lading forbundet for å omfatte en eneste spenningskilde og en motstand i serie hver. [0063] Frekvensen til operasjonen til ladingsinnretningen er tilfeldig fastsatt til 0 khz. [0064] Perioden for leding av elektrisitet til bryterne SW1 i og SW2 i er fastsatt til 1,631 µs. Verdien til induktansen L1 i er fastsatt til 9,1 µh (jevnført resultat 1). Første simulering [006] For den første simuleringen, blir de fleste akkumulatorene ladd i grensespenningen på 2, V og for en eneste akkumulator ved spenningen V 7 på 3,6 V. Ladingsinnretningen er parallellkoblet med akkumulatoren som har den høyeste ladingsspenningen, altså 3,6 V (her den sjuende). Nivåene under den sjuende akkumulatoren er forbundet med en spenningskilde V 1-6 på 1 V og en intern motstand R 1-6 på 0,060 ohms, slik som nivåene over den sjuende akkumulatoren er forbundet med en spenningskilde V 8- på 7, V og en intern motstand R 8- på 0,0 ohms. [0066] Dette eksempelet illustrerer et ekstremt tilfelle for operasjon hvor den gjennomsnittlige strømmen ved utgangen må være på 1 A (minimal gjennomsnittlig strøm). [0067] Figur viser resultatet av simuleringen hvor man kan visualisere strømmen gjennom induktansen (il1 7 ) på kurven C1, strømmen ved utgangen gjennom dioden D2 7 (id2 7 ) på kurven C2, og strømmen gjennom akkumulatoren V 7 (iv 7 ) på kurven C3. [0068] Slik det er beskrevet tidligere, øker strømmen il1 7 i induktansen L1 7 i løpet av en periode for leding av elektrisitet t1, og i løpet av denne perioden er bryterne SW1 7 og SW2 7 av. Det er interessant å legge merke til at i løpet av denne fasen blir strømmen levert av batteriet 1 med akkumulatorer, ved hjelp av strømmen iv 7 som er levert av akkumulatoren i løpet av denne fasen. Etter perioden t1, har den nådde verdien for strømmen nådd en verdi pic lpic i en utstrekning på 4,6 A i vårt eksempel. Ut ifra perioden t1, minsker strømmen i induktansen og blir levert til akkumulatoren. Monteringen fungerer i en avbrutt modus for leding av strøm siden strømmen blir annullert før hver operasjonsperiode til ladingsinnretningen. [0069] Den gjennomsnittlige strømmen ved utgangen ls 7(moy) er lik 1,0 A som ønsket. En minimums gjennomsnittlig strøm på 1 A blir fint respektert, uansett verdi på spenningen i den ladde akkumulatoren og verdien på spenningen til akkumulatorbatteriet.

16 1 Andre simulering 1 2 [0070] For den andre simuleringen, blir de fleste akkumulatorene ladde til en grensespenning på 3,6 V og for en eneste akkumulator til en spenning på 2, V. Ladingsinnretningen er parallellkoblet til akkumulatoren som har den svakeste ladingsspenningen på 2, V. Dette tilfellet illustrerer et ekstremt tilfelle for operasjon hvor ladingsinnretningen må fungere i en avbrutt modus for leding av strøm. [0071] Figur 11 viser resultatet av simuleringen hvor man kan visualisere strømmen IL1 7 gjennom induktansen L1 7 på kurven C, strømmen ved utgangen id2 7 gjennom dioden D2 7 på kurven C6, og strømmen gjennom akkumulatoren iv 7 på kurven C7. [0072] Slik det er beskrevet tidligere, øker strømmen il1 7 i induktansen L1 7 i løpet av en periode med leding av strøm t1, i løpet av denne perioden er bryterne SW1 7 og SW2 7 av. Etter perioden t1, når strømmens verdi er pic lpic, i en utstrekning på 6,1 A i vårt eksempel. Ut ifra perioden t1, minsker strømmen i induktansen og leveres til akkumulatoren. Monteringen fungerer i en modus med avbrutt leding av elektrisitet fordi strømmen blir annullert før hver periode med operasjon for ladingsinnretningen. Operasjonen i avbrutt leding av strøm er godt respektert uansett verdien for spenningen i en ladd akkumulator og verdien for spenningen i akkumulatorbatteriet. [0073] Den gjennomsnittlige strømmen ls (moy) er lik 2,3 A. Den er mye høyere enn minsteverdien på 1 A. [0074] Andre simuleringer har blitt iverksatt. Ladingsinnretningen har blitt validert for helheten av feltet med varierende spenning i akkumulatoren (2, V-3,6 V) og i batteriet 1 (2 V - 36 V). Ladingsinnretningen har også blitt validert, uansett posisjonen til denne siste, nemlig ved klemskruene til nivå 1, til nivå 6 eller til nivå N. Operasjonen til ladingsinnretningen med flere ladingsinnretninger som opererer parallelt har også blitt validert. Ladingsinnretningen som gjør det mulig å lade ti nivåer Et i i serie og som er koblet til klemskruene i hundre nivåer Et i har også blitt validert ifølge dette trinnet.

17 16 P a t e n t k r a v 1. Balanseringssystem til lading av batterier som minst omfatter to nivåer (Et i ) av akkumulatorer satt i serie, hvert nivå (Et i ) omfatter en akkumulator (A ij ) eller minst to akkumulatorer (A ij ) som er parallellkoblet, karakterisert ved at det nevnte systemet omfatter: - for hvert nivå av akkumulatorer (Et i ) finnes det en tilhørende ladingsinnretning () som omfatter: 1 2 minst en induktans (L1 i, L2 i ) til lagring av strøm, minst en første (D1 i ) og minst en andre (D2 i ) dioder, slik som den nevnte første dioden (D1 i ) er forbundet med den negative polen (N i ) til det nevnte nivået av akkumulatorer (Et i ) ved sin anode og ved sin katode til en av de to ytterkantene i induktansen (L1 i ), og den nevnte andre dioden (D2 i ) er forbundet med den positive polen (P i ) til det nevnte nivået av akkumulatoren (Et i ) ved sin katode og den andre ytterkanten til induktansen (L1 i, L2 i ) ved sin anode, minst en første (SW1 i ) og minst en andre (SW2 i ) styrte brytere, slik som den nevnte første bryteren (SW1 i ) er forbundet med den negative polen (N) til batteriet (1) og til anoden til den andre dioden (D2 i ), og den andre styrte bryteren (SW2 i ) er forbundet med den positive polen (P) til batteriet (1) og til katoden til den første dioden (D1 i ) og ved at det nevnte systemet i tillegg omfatter - en styringsinnretning (3) til de nevnte ladingsinnretningene () som er konfigurert for å slå av de nevnte bryterne (SW1 i, SW2 i ) til en ladingsinnretning () som er forbundet med et nivå med akkumulatorer (Et i ) som skal lades slik at den nevnte minst en induktans (L1 i, L2 i ) lagrer strøm og for å slå på de nevnte styrte bryterne (SW1 i, SW2 i ) slik at man overfører strøm til det tilhørende nivået med akkumulatorer (Et i ) Balanseringssystem til batterier ifølge patentkravet 1, karakterisert ved at styringsinnretningen (3) er konfigurert for å samtidig slå av de nevnte første (SW1 i ) og andre (SW2 i ) styrte bryterne til den samme ladingsinnretningen () som skal lades. 3. Balanseringssystem til batterier ifølge et av patentkravene 1 eller 2, karakterisert ved at styringsinnretningen (3) er konfigurert for å åpne de nevnte styrte bryterne etter en forhåndsbestemt periode med leding av strøm (t1).

18 17 4. Balanseringssystem til batterier ifølge et hvilket som helst av de tidligere patentkravene, karakterisert ved at den nevnte ladingsinnretningen () er konfigurert for å operere med en avbrutt leding av strøm, uavhengig av spenningsnivåene i nivået (Et i ) med tilhørende akkumulatorer og batteriet (1) i løpet av en ladingsperiode. 1. Balanseringssystem til batterier ifølge patentkravet 3 kombinert med patentkravet 4, karakterisert ved at den forhåndsbestemte perioden med leding av strøm (t1) er beregnet slik at ladingsinnretningen () til hvert nivå (Et i ) med akkumulatorer opererer i en avbrutt leding av strøm. 6. Balanseringssystem til batterier ifølge et av patentkravene 4 eller, karakterisert ved at den nevnte styringsinnretningen (3) er konfigurert for å slå av og på de nevnte første (SW1 i ) og andre (SW2 i ) styrte bryterne til en ladingsinnretning () respektivt ifølge en periode med leding av elektrisitet (t1) og en påslått periode (T-t1) som er konstante i løpet av en ladingsfase. 7. Balanseringssystem til batterier ifølge et hvilket som helst av de tidligere patentkravene, karakterisert ved at styringsinnretningen (3) er konfigurert for å styre respektivt ladingsinnretningene () til klemskruene i nivåene (Et i ) til akkumulatorene som skal lades, på en forskjøvet måte i tid Balanseringssystem til batterier ifølge et hvilket som helst av de tidligere patentkravene, det nevnte batteriet (1) omfatter minst en elementær modul (9), den nevnte minst en elementær modul (9) omfatter en mangfoldighet av nivåer med akkumulatorer (Et i ) i serie, karakterisert ved at det nevnte systemet i tillegg omfatter en ekstra ladingsinnretning () ved klemskruene til den nevnte minst en elementær modul (9). 9. Balanseringssystem til batterier ifølge patentkravet 8, karakterisert ved at det nevnte batteriet (1) omfatter en mangfoldighet av elementære moduler (9) som er plasserte i serie og ved at det nevnte systemet omfatter en ekstra ladingsinnretning () til klemskruene til hver av modulene til et forhåndsbestemt antall av elementære moduler (9).. Balanseringssystem til batterier ifølge et hvilket som helst av de tidligere patentkravene, karakterisert ved at den nevnte minst en induktans (L2 i ) har en ekstra vinding på selvinduksjonsspole for å lade en ekstra strømforsyning.

19 Balanseringssystem til batterier ifølge et hvilket som helst av de tidligere patentkravene, karakterisert ved at det omfatter en målingsinnretning av spenningen til hver konfigurert akkumulator for å overføre en informasjon om spenningen til styringsinnretningen (3). 12. Balanseringssystem til batterier ifølge et hvilket som helst av de tidligere patentkravene, karakterisert ved at akkumulatorene er av typen litium-ion. 13. Balanseringssystem til batterier ifølge et hvilket som helst av de tidligere patentkravene, karakterisert ved at batteriet omfatter superkondensatorer. 14. Ladingsinnretning for nivået med akkumulatorer til batterier, til et balanseringssystem ifølge et hvilket som helst av de tidligere patentkravene.

20 19 NO/EP2370

21 NO/EP2370

22 21 NO/EP2370

23 22 NO/EP2370

24 23 NO/EP2370

25 24 NO/EP2370