NO/EP918 (12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP 918 B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. H02J 7/00 (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert 14.02.03 (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet 13.09.11 (86) Europeisk søknadsnr 11161774.2 (86) Europeisk innleveringsdag 11.04.08 (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato 12.. (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 Super B B.V., Diamantstraat 1e, 74 TA Hengelo, NL-Nederland (72) Oppfinner Doornekamp, Marinus Hendrikus, Diamantstraat 1e, 74 TA, Hengelo (Ov), NL- Nederland (74) Fullmektig Plougmann & Vingtoft, Postboks 03 Sentrum, 04 OSLO, Norge (4) Benevnelse Balansert krets for oppladbare batterier (6) Anførte publikasjoner US-B1-6 211 60
NO/EP918 1 Beskrivelse 1 2 30 3 OPPFINNELSESOMRÅDE [0001] Den foreliggende oppfinnelse vedrører en balansekrets for en celle i et oppladbart batteri, som omfatter koblingsterminaler for tilkobling av balansekretsen til cellen. KJENT TEKNIKK [0002] International patent publikasjon W0114806 beskriver et ladebalanseringssystem for flere celler i et batteri. Systemet inneholder flere kretser og en kontrollmodul. Hver krets omfatter første og andre brytere koblet i serie og en induktans med en første ende koblet mellom den første og andre bryter. Kontrollmodulen utgir styresignaler for å styre de første og andre brytere. En andre ende av induktansen til en første av en av de N kretser er koblet mellom to celler i et første par av seriekoplede celler i en batteripakke. Den første og andre brytere av den første av de N kretser er koblet i parallell med det første par av 2N seriekoblede celler. [0003] US 6 211 60 utgjør grunnlaget for innledningen til krav 1. OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN [0004] Den foreliggende oppfinnelse søker å tilveiebringe en kostnadseffektiv og enkelt gjennomførbar løsning for å gi en pålitelig balansert funksjonalitet for batteripakker som har flere celler. [000] I henhold til den foreliggende oppfinnelse, tilveiebringes en balansekrets ifølge ingressen definert ovenfor, der en første motstand koblet til en av tilkoblingsterminalene, og en spenningsbryter i serie med den første motstand og koblet til den andre av tilkoblingsterminalene, der spenningsbryteren kan opereres for å shunte en balansestrøm gjennom den første motstand når en ladespenning som detekteres over tilkoblingsterminalene er høyere enn en terskelverdispenning. [0006] Den foreliggende oppfinnelsens utførelser tillater å implementere en enkel elektronisk krets ved hjelp av kostnadseffektive komponenter for å gi funksjonen av celleregulering av en batteripakke. Et batteri kan være tilveiebrakt omfattende en flerhet av oppladbare celler, som er forsynt med én eller flere balansekretser for hver enkelt av flerheten av oppladbare celler. Videre kan en batteripakke som omfatter et antall oppladbare celler i en seriekonfigurasjon tilveiebringes, omfattende et balansearrangement for seriekonfigurasjon av celler. De elektroniske komponentene i balansekretsen kan tilveiebringes på svært små PCBer eller lignende bærere, og enkelt integreres med batteripakken. Ved posisjonering av kretsene ifølge den foreliggende oppfinnelse i nærheten av hver celle, vil størrelsen av batteripakken ikke påvirkes i det hele tatt.
NO/EP918 2 KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGER [0007] Den foreliggende oppfinnelse vil diskuteres i mer detalj nedenfor, ved hjelp av en rekke utførelseseksempler, med henvisning til de tilhørende tegninger, der: Fig. 1 viser et kretsdiagram av en balansekrets i henhold til en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 viser et kretsdiagram av en ytterligere utførelse av en balansekrets i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og Fig. 3 viser et kretsdiagram av en seriekonfigurasjon av en utførelsesform av balansekretsen i henhold til den foreliggende oppfinnelse. 1 2 30 3 DETALJERT BESKRIVELSE AV EKSEMPLER PÅ UTØRELSER [0008] Celler i batteripakker i dagens oppladbare batterier til et bredt spekter av applikasjoner (f.eks. transport) trenger spesiell oppmerksomhet under ladetrinnet. På grunn av produksjonstoleranser og andre faktorer, vil cellene i en batteripakke være noe forskjellig fra hverandre. For å være sikker på at ladingen kan finne sted uten risiko, og for å forlenge livet til celler i en batteripakke, er kontrollert lading en mye brukt teknikk. Ettersom flere celler vanligvis er til stede i batteripakker, i parallell, serie eller en kombinasjon av parallell -og serie-konfigurasjon, er balansering av hver celle meget viktig for å oppnå tilsvarende spenninger for hver celle. I den foreliggende oppfinnelsens utførelsesformer implementeres parallell utlading ved hjelp av en shunt for å jevne ut forskjellene mellom cellene. [0009] fig. 1 viser et kretsdiagram for en første utførelse av balansekretsen ifølge den foreliggende oppfinnelse. Balansekretsen omfatter tilkoblingsterminalene T1, T2 for tilkobling av balansekretsen til cellen, en første motstand R1 koblet til en av tilkoblingsterminalene T1, T2, og en spenningsbryter S i serie med den første motstand R1 og koblet til den andre av tilkoblingsterminalene T2, T1, der spenningsbryteren S kan opereres for å shunt en balansestrøm gjennom den første motstand R1 når en spenning detekteres over tilkoblingsterminalene T1, T2 som er høyere enn en terskelverdispenning. [00] Cellen som foreliggende oppfinnelses utførelsesformer av balansekretsen er egnet for er f.eks. en litium basert celle (Li -ion ; Li polymer; LiFeP04, etc.), men også andre oppladbare celletyper kan anvendes. [0011] Bryteren S i utførelsen på fig. 1 med funksjonaliteten som er beskrevet kan implementeres som en spenningsreferansekrets U1, f.eks. i en konfigurasjon som vist i utførelsen på fig. 2. Mer spesifikt, kan element U1 være en justerbar spenningsreferansekrets som gjør det mulig å sette inn nøyaktige terskelspenninger for den foreliggende oppfinnelsens utførelsesformer. F.eks. er elementet U1 en tre-terminal
NO/EP918 3 1 2 30 3 justerbar («band gap») spenningsreferansediode, som er kommersielt tilgjengelig under betegnelsen LM38 fra National Semiconductor. Generelt kan en hvilken som helst type bryterelement eller komponent som tilveiebringer en økning i ledningsevne som en funksjon av spenning tilført anvendes som bryter S i den foreliggende oppfinnelsens utførelsesform, F.eks. en zenerdiode. Jo høyere økningsrate som funksjon av spenningen, desto bedre vil elementet etterligne en bryterliknende oppførsel. [0012] Bryteren S kan implementeres i halvlederkretser som er kjent som sådan, for å tilveiebringe en meget kostnadseffektiv løsning. Så lenge terskelspenningen ikke er nådd ved celleterminalene T1, T2, vil bryteren S ikke være lukket eller lede strøm (bare en liten lekkasjestrøm vil flyte gjennom halvlederelementet til bryter S og første motstand R1). Det spesifikke valg av bryter S og første motstander R1 vil avgjøre den totale lekkasjestrøm. [0013] I utførelsen på fig. 2, er en balansekrets vist i drift, når en battericelle er koblet til tilkoblingsterminalene T1, T2, samt en batterilader som gir en ladestrøm I L som benytter ladeterminalene L1 og L2. Den justerbare spenningsreferansekrets U1 omfatter en første terminal 1 og en andre terminal 2. Den justerbare spenningsreferansekrets U1 tilveiebringer en zenerdiode som funksjonelt element mellom den første og andre terminal 1, 2, og den justerbare spenningsreferansekrets U1 omfatter videre en tredje terminal 3 for input av et feedbacksignal. [0014] Den første motstand R1 er koplet mellom en inngang T1 av cellen og den første terminalen 1. av den justerbare spenningsreferansekrets U1. Balansekretsen omfatter videre en andre motstand R2 og en tredje motstand R3, der den andre motstand R2 er forbundet mellom den første terminal og tredje terminal 3, og den tredje motstanden R3 er koblet mellom den andre terminal 2, og den tredje terminal 3. [001] Så lenge spenningen på referansepunktet (tredje terminal 3) til den regulerbare spenningsreferansekretsen U1 er lavere enn terskelspenningen, vil bare en lekkasjestrøm gå. Når spenningen på terminal 3 øker, vil den justerbare spenningsreferansekrets U1 begynne å lede strøm og en balansestrøm I b vil settes opp. Størrelsen på balansestrømmen I b kan begrenses ved valg av verdien på den første motstanden R1. I en utførelsesform har den første motstand R1 en verdi valgt for å sette en balanserende I b for cellen. Denne balansestrømmen I b er valgt under en maksimal strøm til spenningsbryteren S, i denne utførelsen av den justerbare spenningsreferansekretsen U1. [0016] Forholdet mellom andre og tredje motstand R2, R3 kan være valgt for å velge terskelspenningen, og som en utledet parameter, den maksimale ladespenning over terminalene T1, T2. Den maksimale ladespenning kan være en anbefalt ladestrøm til cellen, eller alternativt kan det være en absolutt maksimum ladespenning til cellen.
NO/EP918 4 1 2 [0017] Som et resultat er en balansekrets tilveiebrakt som kan brukes til forskjellige typer celler, siden balansestrømmen er justerbar ved hjelp av den første motstand R1 og den maksimale ladespenning kan innstilles ved hjelp av den andre og tredje motstand R2, R3. [0018] Når en høyere balansering I b er ønsket, et antall balansesleider kretser som beskrevet i utførelsesformene ovenfor kan benyttes i parallell, som et resultat av hvilke den totale balansering I b øker. Videre kan en rekke balansekretser settes i serie for å tillate balansering av flere celler anbrakt i en seriekonfigurasjon. Dette er vist i det skjematiske blokkdiagram på fig. 3 for en seriekonfigurasjon av to celler. Også i denne konfigurasjonen kan multiple balansekretser brukes parallelt hvis en høyere balansestrøm I b er ønsket. [0019] I et kretsdiagram i fig. 3, brukes en andre balansekrets, hvis komponenter er merket med en apostrof. I denne kretsen, er tre terminaler T1 -T3 tilgjengelig, en første celle i seriecellekonfigurasjonen er forbundet til de øvre to terminaler T1, T2 under drift, og en andre celle i seriecellekonfigurasjonen er forbundet til de to nedre terminaler T2, T3. Med andre ord, i et ytterligere aspekt av vedrører foreliggende oppfinnelse et balansearrangement anordnet for å tilveiebringe en balansestrøm til et oppladbart batteri som omfatter et antall celler i en seriekonfigurasjon, som omfatter et motsvarende antall balansekretser i henhold til den foreliggende oppfinnelsens utførelser, der påfølgende balansekretser har en felles terminal (T2 i utførelsesformen i fig. 3) for tilkopling til en tilhørende seriekonfigurasjon av celler. Drift av både den øvre og nedre balansekrets er lik driften av kretsen som er beskrevet under henvisning til fig. 2 ovenfor. [00] For en Litium-Jernfosfatcelle og bruke en LM38 integrert krets som omtalt ovenfor, følgende eksempler på beregninger kan foretas for å bestemme verdiene av den første, andre og tredje motstander R1- R3. [0021] Den anbefalte maksimale ladespenning per celle er 3,6 volt, og den absolutte maksimumspenning per celle er 4,3 Volt. Spenningen på den første terminalen 1 til element U1 (se fig. 2) kan beregnes som VB = VU1, ref (R3/R2+1), og f.eks. 30 3 [0022] Denne formel viser at terskelspenningen som skal brukes i balansekretsen kan innstilles ved hjelp av de riktige verdier av R2 og R3 i et bredt område. En lignende beregning for en litium-polymercelle som har en maksimum cellespenning på 4, volt, ville være mulig å bruke VB = 1.24 (196k/7k) 1) = 4,48 V (R2 = R3 = 7kΩ 196kΩ). Nesten enhver terskelspenning kan stilles inn i et svært bredt område, som et resultat kan den foreliggende oppfinnelsens balansekretser anvendes i nesten alle litiumbaserte og ikke- litiumbaserte celler.
NO/EP918 [0023] Balanserestrømmen I b kan stilles inn med verdien til den første motstanden. Når man tar en litium polymercelle (med maksimal spenning 4.3 volt) og en litium jernfosfatcelle (med maksimal spenning 3,6 volt), og en første resistor R1 på.7ω som eksempler, kan balansestrømmer beregnes som: I b = (04.03 til 01.24) /,7 = 0.3A (på 4.3Volt per celle) I b = (03.06 til 01.24) /,7 = 0.40A (på 3.6Volt per celle) [0024] Ved hjelp av en første motstand R1 med en verdi på Ω, vil balansestrømmen være: I b = (4,3-1,24) / = 0.31A (på 4.3Volt per celle) I b = (03.06 til 01.24) / = 0.24A (på 3.6Volt per celle) 1 2 [002] Ved hjelp av ovennevnte implementeringer av balansekretser, kan et batteri være tilveiebrakt omfattende en flerhet av oppladbare celler, som er forsynt med en eller flere balansekretser for hver enkelt av flerheten av oppladbare celler. Videre kan en batteripakke som omfatter et antall oppladbare celler i en seriekonfigurasjon tilveiebringes, omfattende et balansearrangement for seriekonfigurasjon av celler. De elektroniske komponentene i balansekretsen (R1 -R3, U1 og tilkoblingsterminalene T1 - T2) kan gis på svært små PCB eller lignende bærere, og enkelt integreres med batteripakken. Ved plassering av kretser i henhold til foreliggende oppfinnelse i nærheten av hver celle, vil størrelsen og dimensjonene av batteriet ikke endres i det hele tatt, og vil bare øke vekten med et lite beløp. [0026] Den foreliggende oppfinnelsens utførelsesformer er beskrevet ovenfor med henvisning til et antall eksempler på utførelseseksempler som er vist på tegningene. Modifikasjoner og alternative implementeringer av enkelte deler eller elementer er mulig, og er inkludert i omfanget av beskyttelsen som er definert i de vedlagte krav.
NO/EP918 6 1 PATENTKRAV 1. Balansekrets for en celle i et oppladbart batteri, omfattende tilkoblingsterminaler (T1, T2) for tilkobling av balansekretsen til cellen, en første motstand (R1) koblet til én av tilkoblingsterminalene (T1, T2), og en spenningsbryter (S) i serie med den første motstand (R1) og koblet til den andre av tilkoblingsterminalene (T2, T1), der spenningsbryteren (S) er operabel for å shunte en balansestrøm gjennom den første motstand (R1) når en ladespenning detekteres over tilkoblingsterminalene (T1, T2) som er høyere enn en terskelverdi, karakterisert ved at spenningsbryteren (S) omfatter en justerbar spenningsreferansekrets (U1), der den justerbare spenningsreferansekretsen (U1) omfatter en første terminal (1) og en andre terminal (2), der den justerbare spenningsreferansekrets (U1) tilveiebringer et element som fungerer som en zenerdiode mellom den første og andre terminal (1, 2), der den justerbare spenningsreferansekrets (U1) videre omfatter en tredje terminal (3) for innmating av et tilbakekoplingssignal. 2. Balansekrets i henhold til krav 1, der den første motstand (R1) er koplet mellom en terminal (T1, T2) til cellen og den første terminalen (1) til den regulerbare spenningsreferansekrets (U1), der balansekretsen videre omfatter en andre motstand (R2) og en tredje motstand (R3), der den andre motstand (R2) er forbundet mellom den første terminalen (1) og den tredje terminal (3) og den tredje motstand (R3) er forbundet mellom den andre terminalen (2) og den tredje terminalen (3). 2 3. Balansekrets i henhold til krav 2, der forholdet mellom andre og tredje motstand (R2, R3) er valgt for å velge en maksimal ladespenning. 4. Balansekrets i henhold til krav 3, der den maksimale ladespenning er en anbefalt ladespenning av cellen. 30. Balansekrets i henhold til krav 3, der den maksimale ladespenning er et absolutt maksimum ladespenning av cellen. 6. Balansekrets i henhold til ethvert av kravene 1-, der den første motstand (R1) har en verdi som velges for å sette en balansestrøm til cellen. 3 7. Balansekrets i henhold til krav 6, der balansestrømmen er valgt under en maksimal nominell strøm til spenningsbryteren (S). 8. Balansekrets i henhold til et av kravene 1-7, der cellen er en litiumbasert celle.
NO/EP918 7 9. Balansearrangement arrangert for å tilveiebringe en balanserende strøm til et oppladbart batteri som omfatter en flerhet av celler i en seriekonfigurasjon, omfattende et motsvarende antall balansekretser ifølge hvilket som helst av kravene 1-8, der påfølgende balansekretser har en felles terminal (T2) for tilkobling til en motsvarende seriekonfigurasjon av celler.. Batteripakke som omfatter et antall oppladbare celler, forsynt med én eller flere balansekretser ifølge ethvert av kravene 1-8 for hver enkelt av flerheten av oppladbare celler. 11. Batteripakke som omfatter et antall oppladbare celler i en seriekonfigurasjon, omfattende et balansearrangement ifølge krav 9.
8 NO/EP918
9 NO/EP918