PT106681B - A method for balancing the charge state in a battery cell using a switched electromotor - Google Patents
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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
PROCESSO PARA EQUILIBRAR O ESTADO DE CARGA EM CÉLULAS DE BATERIAS UTILIZANDO UM CONVERSOR ELETRÓNICO COMUTADOPROCESS TO BALANCE CHARGING STATE IN BATTERY CELLS USING A SWITCHED ELECTRONIC CONVERTER
INTRODUÇÃOINTRODUCTION
A presente invenção consiste num processo para 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, utilizando um conversor eletrónico comutado. 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 is a process for balancing n-cell batteries in series (1), (2), (3), (4) by balancing state of charge (SOC) or state of health (SOH) the various cells that make them up using a switched electronic converter. Battery balancing converters extend their life by reducing internal imbalances and 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 referred converters is a multi-inductor circuit where n-1 converters are used to balance a n-cell battery in series. Each of these converters has one coil and two open and close commanded semiconductors (Bipolar Isolated Gate Transistor or Isolated Gate Oxide Semiconductor Metal Transistor, for example).
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 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.This invention features a single circuit for balancing batteries via a converter with a coil (5) and 2 (n + 1) one-way switches (6), (7), (8), (9), (10), ( 11), (12), (13), (14), (15), each consisting of an opening and closing controlled semiconductor (Bipolar Isolated Gate Transistor or Isolated Gate Transistor Metal Oxide Semiconductor, for example the semiconductor Si (6A) is a diode-type unmanned power semiconductor device, for example diode Di (6B)). Each terminal of each cell is connected to one of these switches. Thus, there are two possible unidirectional paths for 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) discharge a given cell and the other path through the one-way switches (11) and (7), (12) and (8), (13) and (9), (14) and (10). said cell.
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. O processo de equilíbrio de carga pode ser utilizado durante o carregamento ou descarregamento das baterias.Thus, it is possible to balance the charge states of the n cells in series (1), (2), (3), (4) by transferring, at each moment, the energy from the most charged cell to the coil (5) and from it. to the most discharged cell. The charge balancing process can be used while charging or discharging the batteries.
ESTADO DA TÉCNICATECHNICAL STATE
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.Balancing the cells in a battery is a crucial problem that needs to be addressed in order to maintain the nominal capacity and extend the life 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:There are currently some proposals that seek to answer this question. Generally speaking, we can consider two types of cell balancing:
• 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.• Passive Balancing - Excess energy is removed from the most charged cells through resistors (passive elements) until all cells are at the same level.
• 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.• Active Balancing - Energy is extracted from the most heavily charged cells to the least charged cells by active elements such as capacitors, coils, transformers or power converters.
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:The parallel-passive (passive) balancing method is to remove excess energy from the most heavily charged cell (s) by discharging these cells onto a resistor until the cell (s) ) most charged (s) are at the same charge state as the less charged cells. This method has two variants:
• Resistências Fixas - Este método (descrito em [1], [2] e [3]) consiste em fazer uma descarga contínua da corrente em todas as células, sendo as resistências dimensionadas de modo a limitar o nível de tensão em todas as células. Este sistema só pode ser utilizado em baterias de chumbo-ácido ou níquel, pois são as únicas que podem ser sobrecarregadas sem que ocorram danos permanentes [4].• Fixed Resistors - This method (described in [1], [2] and [3]) consists of continuously discharging the current in all cells, the resistors being sized to limit the voltage level in all cells. . This system can only be used on lead acid or nickel batteries as they are the only ones that can be overcharged without permanent damage [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 lítio. Apresenta dois modos de operação:• Switched Resistors - This technique (described in [1], [5] and [6]) is to remove 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 on lithium ion batteries. It has two modes of operation:
o Contínuo: Todos os relés ou interruptores são comandados pelo mesmo sinal ON/OFF.o Continuous: All relays or switches are controlled by the same ON / OFF signal.
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 Detection: Cell voltages are monitored and whenever imbalances are detected, the system decides which resistors should be connected in parallel in order to discharge the cell.
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 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:The active charge transfer method with capacitors, also known as Charge Shuttling charge transfer (described in [1] and [7-13]) is the use of capacitors to balance the various battery cells by cargo transportation between them. It can be of three types:
Condensadores comutadosSwitched capacitors
Este modelo (descrito em requer n-1 condensadores e 2n interruptores para equilibrar células.This model (described in requires n-1 capacitors and 2n switches to balance cells.
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.Its control system is simple as it only works with two states, requiring no complex control. Its main limitation is that it has a relatively high equilibrium time.
• 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.• Single Switched Condenser - 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 and energy is 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.
Condensadores de dupla hierarquiaDouble hierarchy condensers
Este modelo [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 condensadores eThis model [10-11]) is also a derivation of the first one, but in this case two capacitor hierarchies are used to transfer the energy in order to achieve equilibrium. Capacitors and
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.2n switches to balance n cells. The great advantage of this system is that the second layer of capacitors allows to reduce the equilibrium time to a quarter compared to the switched capacitors method.
Existem também métodos de balanceamento ativo com transformadores, que apresentam diferentes variantes.There are also active balancing methods with transformers, which have different variants.
método do transformador comutado (descrito em [1], [4], [14-15], [19-20]) pode apresentar dois circuitos:The switched transformer method (described in [1], [4], [14-15], [19-20]) can have two circuits:
• 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.• Battery to Cell - Pack-to-cell - Total battery power is transferred from the switched transformer to the least charged cells by connecting the appropriate switches.
• 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.• Cell Cell - Cell-to-pack - In this case, the opposite is done, ie the energy from the most charged cells is transferred through the transformer switched to the battery.
Por outro lado, os métodos com transformadores com múltiplos enrolamentos também podem ser de dois tipos:On the other hand, methods with multiple winding transformers can also be of two types:
• 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:• Shared Transformer - In this system (described in [1], [4], [14-15], [21-22]) there is a single magnetic core with one primary winding and multiple secondary windings, one for each cell. It can have two configurations:
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 díodos.o Return - Flyback - When the primary side switch is turned on, some energy is stored in the transformer. Later, when this switch is turned off, the energy is transferred to the transformer secondary, with most of the current induced in the most discharged cells (with lower reactance) through the diodes.
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.o Forward - When an imbalance is detected, the most charged cell switch is turned on and excess energy is transferred to the most discharged cells through the transformer and the antiparallel diodes of the switches.
• Múltiplos transformadores - Neste modelo (descrito em existem vários transformadores, um por cada célula.• Multiple transformers - In this model (described in 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, conversor redutor-elevadorThere are also active balancing methods through power converters. As an example, one of the most used converters, gearbox elevator converter
Buck-Boost (descrito em [14] [1], [15] 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.Buck-Boost (described in [14] [1], [15] allows to transfer energy from the most charged cell to the less charged cell using an intermediate storage element. This converter has a very satisfactory equilibrium time and is easy to use. However, it needs a smart control system and is relatively expensive.
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.Finally, it is also important to refer to active balancing battery cell systems with coils, which may use one or more elements of this type.
No primeiro caso (descrito em [1] 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 modulatlon), que permite descarregar a energia da célula mais carregada para a mais fraca. Ambos os métodos apresentam tempos de equilíbrio satisfatórios.In the first case (described in [1] system uses a coil, 2n open and close command semiconductor and 2 (nl) diode type unmanaged power 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 via the coil, which serves as the intermediate storage element.This method consists of a modified version of the gearbox elevator.In the second case (described in [1], [14 ] and [24]) use (n-1) inductors and 2 (n-1) switches to balance n cells.The control system measures the difference between the charge states of each pair of neighboring cells and applies a pulse width modulatlon signal, which allows energy to be discharged from the weakest to the weakest cell, both methods having satisfactory equilibrium times.
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 which consist of modified versions of the presented circuits.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
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.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) one-way switches (6) , (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15), where (6A), (7A), (8A) , (9A), (10A), (11A), (12A), (13A), (14A), (15A) are open and close controlled power semiconductors and (6B), (7B), (8B) 9B, 10B, 11B, 12B, 12B, 13B, 14B, 14B, 15B are diode-type unmanned power semiconductor devices.
A Figura 2 representa o ciclo histerético que caracteriza um possível processo de controlo do estado de carga.Figure 2 represents the hysteretic cycle characterizing a possible charge state control process.
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 S2 (6A) e o díodo D2 (6B), a bobina (5) e o semicondutor S'2 (12A) e o díodo D'2 (12B) .Figure 3 represents the circuit diagram of Figure 1 and the current path when discharging cell Bi (1), where current flows through semiconductor S 2 (6A) and diode D 2 (6B), coil ( 5) and semiconductor S ' 2 (12A) and diode 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) .Figure 4 represents the circuit diagram of Figure 1 and the current path when charging cell B 2 (2), where current flows through semiconductor S 3 (8A) and diode D 3 (8B), the coil (5) and semiconductor S ' 2 (12A) and diode 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 que se estava a descarregar a célula B2 (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 D2 (6B), a bobina (5) e o semicondutor S'2 (12A) e o díodo D'2 (12B).Figure 5 represents the circuit diagram of Figure 1 in the previous state for a type 1 switching process, where the most heavily loaded B cell 2 (1) was being discharged, and in the current state it is intended to load cell B n (4) further discharged, wherein the current flows through semiconductor Si (6A) and diode D 2 (6B), coil (5) and semiconductor S ' 2 (12A) and diode 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 B2 (1) mais carregada, e no estado atual pretende-se carregar a célula Bn (4) mais descarregada, em que a corrente atravessa o semicondutor S2 (6A) e o díodo D2 (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) .Figure 6 represents the circuit diagram of Figure 1 and the first step of a type 1 switching process, in which the most loaded B 2 cell (1) was being discharged in the previous state, and in the present state it is intended Loading cell B n (4) over discharged, whereby current through the S 2 semiconductor (6A) and D2 diode (6B), the coil (5) and the semiconductor S '2 (12A) and the diode D ' 2 (12B), and conducting the semiconductor S n + 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 B2 (1) mais carregada, e no estado atual pretende-se carregar a célula Bn (4) mais descarregada, em que a corrente atravessa o semicondutor Sn+1 (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 s2 (6A) .Figure 7 represents the circuit diagram of Figure 1 and the second step of a type 1 switching process, in which the most loaded B 2 cell (1) was being discharged in the previous state, and in the present state it is intended load the most discharged B cell n (4), where current flows through semiconductor S n + 1 (10A) and diode D n + 1 (10B), coil (5), semiconductor S ' n (14A) and diode D ' n (14B), and the semiconductor s 2 (6A) is commanded to cut.
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 B2 (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 S'2 (12A).Figure 8 represents the circuit diagram of Figure 1 and the third step of a type 1 switching process, in which the most loaded B 2 cell (1) was being discharged in the previous state, and in the present state it is intended load the most discharged B cell n (4), where current flows through semiconductor S n + i (10A) and diode D n + 1 (10B), coil (5), semiconductor S ' n (14A) and diode D ' n (14B), and the semiconductor S' 2 (12A) is commanded to cut.
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+1 (10A) e o diodo Dn+1 (10B), a bobina (5), o semicondutor S'n (14A) e o diodo D'n (14B), estando o semicondutor (10A) e o semicondutor S'n (14A) em condução.Figure 9 represents the circuit diagram of Figure 1 and the previous state for a type 2 switching process, in which the most discharged cell B n (4) was being loaded and in the current state it is intended to discharge cell Bi (1) more charged, wherein the current goes through the semiconductor S n + 1 (10A) and diode D n + 1 (10B), coil (5), semiconductor S ' n (14A) and diode D' n (14B), semiconductor 10A and semiconductor S ' n (14A) being conducting.
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 diodo Dn+1 (10B) , a bobina (5), o semicondutor S'n (14A) e o diodo D'n (14B), e se comanda em condução o semicondutor S'2 (12A).Figure 10 represents the circuit diagram of Figure 1 and the first step of a type 2 switching process, in which the most discharged cell B n (4) was being loaded in the previous state and in the current state it is intended to discharge the most charged Bi cell (1), where the current flows through the semiconductor S n + i (10A) and the diode D n + 1 (10B), the coil (5), the semiconductor S'n (14A) and the diode D ' n (14B), and driving the semiconductor 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 diodo Di (6B), a bobina (5), o semicondutor S'2 (12A) e o diodo D'2 (12B), e se comanda ao corte o semicondutor S'n (14A).Figure 11 represents the circuit diagram of Figure 1 and the second step of a type 2 switching process, in which the most discharged cell B n (4) was being loaded in the previous state and in the current state it is intended to discharge the most charged Bi cell (1), where current flows through the semiconductor Si (6A) and diode Di (6B), coil (5), semiconductor S'2 (12A) and diode D ' 2 (12B) ), and the semiconductor S ' n (14A) is commanded to cut.
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 S! (6A) e o diodo D2 (6B), a bobina (5), o semicondutor S'2 (12A) e o díodo D'2 (12B), e se comanda ao corte o semicondutor Sn+1 (10A) .Figure 12 represents the circuit diagram of Figure 1 and the third step of a type 2 switching process, where in the previous state the most discharged cell B n (4) was being charged and in the current state it is intended to discharge the most charged cell Bi (1), where current flows through semiconductor S! (6A) and diode D 2 (6B), coil (5), semiconductor S'2 (12A) and diode D ' 2 (12B), and S n + 1 semiconductor (10A) is commanded to cut. .
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A invenção descrita refere-se a um processo para equilibrar o estado de carga de células de baterias utilizando um conversor eletrónico comutado. 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, o processo 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.The described invention relates to a process for balancing the charge state of battery cells using a switched electronic converter. The proposed circuit can be understood using the concept of polyphase rectifier of current thyristors with alternating polygon sources. In the present invention, the source polygon is opened, the sources are replaced by direct voltage cells and using cutting and conducting semiconductors, energy is transferred between the direct voltage cells, not from the sources to a charge. Consequently, the process can be used in any type of battery application, such as electric vehicles, balancing during charging and discharging the battery.
Na figura 1 é apresentado um 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+l) 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 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.Figure 1 shows a circuit for a series n-cell battery (1), (2), (3), (4). As already mentioned in the introduction, this converter allows balancing n cells using a single coil (5) and 2 (n + 1) unidirectional switches (6), (7), (8), (9), (10 ), (11), (12), (13), (14), (15), each consisting of an opening and closing controlled power semiconductor (6A), (7A), (8A), ( 9A), (10A), (11A), (12A), (13A), (14A), (15A) (Bipolar Transistor, IGBT or MOSFET, for example) and a diode-type unmanned power semiconductor device (6B ), (7B), (8B), (9B), (10B), (11B), (12B), (13B), (14B), (15B). Each terminal of each cell is connected to one of these switches. Thus, there are two possible unidirectional paths for 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) discharge a given cell and the other path through the one-way switches (11) and (7), (12) and (8), (13) and (9), (14) and (10). said cell.
Em seguida, é descrito um possível 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.In the following, a possible control mechanism for this circuit is described. It is important to note that this system uses memory with the information regarding the command signals and control voltages from the previous instant. This aspect ensures the correct operation of the converter.
1. Seleção do par de células a equilibrar1. Selecting 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:At each moment the charge state of each cell is evaluated, and this information is subsequently sent to the control system, which determines which pair of cells should be balanced. We chose to choose the most loaded and unloaded cell at any given time, but another choice criterion could have been chosen. Thus, at any given moment, it is necessary to sort the cells according to their load states in order to choose the appropriate cell pair (alternatively, a minimum and maximum algorithm that only needs a single pass could have been used). ). However, in order to avoid excessive shifts in relation to the highs and lows at any given moment, a margin of error ± ξ or imbalance can be defined (this value can be changed according to the desired degree of precision), which is given by the following equations:
Margem de erro (máximo) =----------------11Error Margin (Maximum) = ---------------- 11
Margem de erro (mínimo) =---------------------------------------< -ς (n)Error Margin (minimum) = ------------------------------------------- <-ς ( n)
SOCref = (iii)SOCref = (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.Thus, the controller considers the current maximum and minimum indices resulting from the sorting process as auxiliary values. These are only considered as effective values if the conditions imposed by (i) and (ii) are met, depending on whether they are maximum or minimum, respectively. Otherwise, the indexes of the cells that were being equilibrated at the previous moment are maintained. It is important to note that this selection process is only valid for moments after the first one. Obviously, at the first moment, the controller does not have the information of a previous minimum or maximum, so in this case, the indices that result from the ordering process at that initial moment are automatically selected as effective indices.
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.It is important to mention another aspect regarding the process of selecting the pair of cells to balance, 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 pair of cells is completed at the previous time. Therefore, when this condition is met, the cell indices resulting from the sorting process at the current instant are chosen, since the balancing process between the pair of cells from the previous instant is already completed. If the end of charge signal is not null, the pair of cells from the previous instant is maintained, provided that the conditions expressed in (i) and (ii) are not violated. This end of charge signal is duly explained below when the state of charge control mechanism is described.
Controlo por realimentação da corrente iL balanceamento dos estados de carga das várias células é conseguido, através do controlo da corrente iL 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.Control current feedback by i L balancing the load states of the various cells is achieved through control of the current i L of the coil (5), transferring additional energy cell more charged to the coil (5). This energy is subsequently transferred to the most discharged cell. This process can be carried out using, for example, a feedback pulse width modulation control system with hysteresis comparator.
Deste modo, o processo de controlo de corrente pode ser implementado da seguinte maneira:Thus, the current control process can be implemented as follows:
. Se ÍL ÍLref Smax ΟΝ G S max+1 ON 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.. If Í L ÍLref Smax ΟΝ GS max + 1 ON controller sends signals of command in order to connect semiconductors that enable the transfer of the extra energy cell more charged to the coil (5), while all other switches off. In this way, the current i L increases to the upper limit established by condition 1.
âil . Se ÍL ÍLref Ί “y => S 1 min θΝ Θ Smin+1 θΝuseful. If Í L REFref Ί “y = > S 1 min θΝ Θ Smin + 1 θΝ
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.In this case, the controller turns on 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 i L will decrease to the lower limit indicated in condition 2.
3. Se iLref - < íl < ÍLref + pp => Mantém os comandos do instante anterior.3. If i L ref - <il <ILref + pp => Keep the commands from the previous instant.
sistema de controlo tem memória para poder equilibrar as células corretamente, pelo que nesta 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 iL control system has memory to be able to balance cells correctly, so in this intermediate situation the commands from the previous instant must be kept. Thus, if at the moment before the current i L met condition 1, it will continue to grow until it reaches condition 2. On the other hand, if at the moment before the current i L
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.It is calculated here so that the current to be transferred to the less charged cell will compensate for its discharge current, which allows it to balance even during battery discharge, maximizing battery life and battery life.
Controlo do estado de carga 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.Charge state control 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 hysteresis cycle shown in figure 2. Thus, after the process of In determining the pair of cells to balance, the error given by equation (iv) below between the charge states of these two cells relative to the reference charge state is calculated.
Erro = (iv) Error = (iv)
SCOsfSCOsf
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:In addition to the error calculated from the previous equation, a control variable, the end of load signal, can be used, which can assume two values:
• 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.• IV - This value is assigned at the beginning of the balancing process between the selected cell pair and is maintained until it is completed.
• OV - Este valor é atribuído quando as células estão equilibradas, ou seja, sempre que o erro é inferior a um valor minimo negativo, que está pré-definido.• OV - This value is assigned when the cells are balanced, that is, whenever the error is less than a minus negative 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 hysteresis cycle shown in figure 2, the charge state control system will only operate if the initial error between the load states of the selected pair is greater than a preset maximum value. This is 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 too 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 15 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, 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 cell equilibrium begins. Each time the charge status control system starts up, the IR value is assigned to the end of charge signal, signaling that the process is in progress. As long as this control variable is active, the current control system is activated, the operation of which has been previously described. When the error is less than the pre-set negative minus shown in Figure 2, the process of balancing the pair of cells in question is terminated and the null value is assigned to the end of load signal. At this stage, the current L1 in the coil (5) is bypassed by connecting two semiconductors of the same arm, keeping all other switches off. However, this override of current 15 in coil (5) is only visible when all cells are balanced, as long as there are sufficiently high imbalances, the converter will continue to transfer energy from the higher load state to the lower ones. charge. That is, when the balancing process of a given pair of cells is completed, the current in the coil (5) is aborted, but if there is another pair of cells in need of a balancing process, the converter will restart, putting current back into the coil (5). Consequently, it is only possible to observe the current override in the coil when all 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 margin of error).
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 B2 (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 S2 (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 B2 (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 nasIn order to further illustrate the operation of this converter, consider, for example, the case shown in Figures 3 and 4, where at one point it was found that cell B 2 (1) was the most loaded cell and cell B 2 (2) was the most unloaded. In this scenario, the controller sends command signals that will connect semiconductor S 2 (6A) and semiconductor S ' 2 (12A), keeping all other switches off, generating a current that will load coil 5 with the extra energy from cell B 2 (1), as shown in Figure 3. In a second moment, the controller sends new command signals that will drive semiconductor S ' 2 (12A) and semiconductor S 3 (8A), turning off all the others, in order to charge cell B 2 (2) with the accumulated energy in the coil (5), as shown in Figure 4. By repeating this process of loading and unloading the two cells, it is possible to achieve a balance between these. In this case, it was considered that at no time were the conditions expressed in the
carregada.loaded.
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, for the process to work properly, it is necessary to ensure continuity of the current in the coil (5), so it is crucial to have a controlled semiconductor firing system that allows switching without opening the coil mesh (5). .
Neste sistema, existem duas tensões de controlo:In this system, there are two control voltages:
comutar de uma célula de índice mais baixo para outra de índice mais alto.switch from lower index cell to higher index cell.
o 2V - Quando está em curso um processo de comutação do tipo 2, ou seja, quando se está a comutar de uma célula de índice mais alto para outra de índice mais baixo.o 2V - When a type 2 switching process is in progress, ie when switching from a higher index cell to a lower index cell.
o OV - Quando termina o processo de comutação.o OV - When the switching process ends.
• Memória do estado anterior - Esta variável de controlo é utilizada para o controlador saber qual o estado anterior, podendo assumir quatro estados:• Previous state memory - This control variable is used to let the controller know the previous state and can assume four states:
o Estado 1 - Se no estado anterior estava a decorrer o descarregamento da célula mais carregada, ou seja, estão ligados Smax e S'max+i, com os restantes interruptores desligados.o State 1 - If the most loaded cell was discharging in the previous state, that is, S max and S ' ma x + i are on, with the other switches off.
o Estado 2 - Se no estado anterior estava a decorrer o carregamento da célula mais descarregada, isto é, estão ligados S'min e Smin+1, com os restantes interruptores desligados.o State 2 - If in the previous state the most discharged cell was charging, that is, S ' min and S min + 1 are on , with the other switches off.
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 Sa e S'ir com os restantes interruptores desligados.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 cell pair, as explained above. In this case, they are connected to S and S 'go with the remaining switches turn off.
o Estado 0 (inicial) - Se o conversor tiver sido ligado no instante atual.o State 0 (initial) - If the drive has been started at the current time.
processo de comutação é realizado em 3 passos e pode ser de dois tipos, tal como é descrito em seguida.The switching process is carried out in 3 steps and can be of two types as described below.
Processo de comutação do tipo 1:Type 1 switching process:
1. Liga-se o interruptor Sz relativo ao novo estado, mantendo os interruptores do estado anterior:1. The switch S z for the new state is switched on, keeping the switches of the previous state:
3±_anterior ON3 ± _previous ON
S i—anterior θΝ > Os restantes interruptores estão desligados.S i — prev θΝ> The remaining switches are off.
Neste caso, embora estejam ligados dois semicondutores Si, apenas conduz S^anterror· 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 Sa que estiver mais à esquerda (índice menor), pois o respetivo díodo tem uma maior tensão de ânodo.In this case, although two Si semiconductors are connected, it only conducts S ^ anterror. This situation results from the converter structure which consists of common cathode bonding diodes at the top. This always leads the semiconductor S to the leftmost (lower index) because the diode has a higher anode voltage.
2. Desliga-se o interruptor βΞ do estado anterior e introduz-se o interruptor S'a relativo ao novo estado:2. Switch off switch β Ξ from the previous state and enter switch S'a for the new state:
> Si_novo ON > S^jovo ON> Si_novo ON> S ^ jovo 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 S'o, apenas conduz Shjovo· 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.In this case, although two S'o semiconductors are connected, only Shjovo leads. This situation also results from the converter structure which consists of common anode bonding diodes at the bottom (assuming that the controlled semiconductors of the respective arms are connected). This always drives the rightmost semiconductor S'i (higher index) because the diode has a lower cathode voltage.
3. No terceiro passo, desliga-se o interruptor St do estado anterior, mantendo os outros dois ligados até que ocorra uma nova comutação:3. In the third step, the previous state switch St will be turned off, keeping the other two on until a new switch occurs:
S ' i_novo ONS 'i_novo ON
Os restantes interruptores estão desligados.The remaining switches are off.
Processo de comutação do tipo 2:Type 2 switching process:
1. Liga-se o interruptor S'i relativo ao novo estado, mantendo os interruptores do estado anterior:1. Switch on the new state switch S'i, keeping the switches from the previous state:
i_novonew
ONON
Si_anterior ON s i_anterior ON > Os restantes interruptores estão desligados.Si_anterior ON s i_anterior ON> The remaining switches are off.
Mais uma vez, embora estejam ligados dois semicondutores S'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 que estiver mais à direita (índice maior), pois o respetivo díodo tem uma menor tensão de cátodo.Again, though two are connected S'apenas semiconductor leads S '· i_ an terior As explained above, this results in connection with the common anode of diodes at the bottom of the converter (assuming that the semiconductor of the respective arms are controlled linked). This always drives the rightmost semiconductor (higher index) because the diode has a lower cathode voltage.
2. Desliga-se o interruptor S'i do estado anterior e introduz-se o interruptor Si relativo ao novo estado:2. The S'i switch from the previous state is turned off and the Si switch related to the new state is entered:
> 3Ξ_ηονο ON > S ' ,-novo ON> 3 Ξ _ ηονο ON> S ', -new ON
Si_anterior ON > Os restantes interruptores estão desligados.Si_anterior ON> The remaining switches are off.
Por sua vez, neste caso, embora estejam ligados dois semicondutores Si, apenas conduz Si_novo, 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 εΞ que estiver mais à esquerda (índice menor), pois o respetivo díodo tem uma maior tensão de ânodo.In turn, in this case, although two Si semiconductors are connected, it only conducts Si- n egg, due to the converter structure which consists of common cathode-bonding diodes at the top, as already mentioned. This always drives the leftmost semiconductor ε Ξ (smaller index), because the respective diode has a higher anode voltage.
3. Finalmente, desliga-se o interruptor Si do estado anterior, mantendo os outros dois ligados até que ocorra uma nova comutação:3. Finally, the Si switch is turned off from the previous state, keeping the other two on until a new switch occurs:
> 3Ξ_ηονο ON > S ' novo ON > Os restantes interruptores estão desligados.> _ 3 Ξ ηονο ON> S 'new ON> The remaining switches are turned off.
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.Two types of switching 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 current i L at all times, ensuring the continuity of the energy in the coil (5). Other sequences may be used as long as the significant chunk of coil energy (5) is delivered to the less charged cell or set of cells.
Sempre que é sinalizada uma comutação, o sistema de controlo verifica qual era o estado anterior, através da 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 memory (thus 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 load states of the cells is interrupted, so the chosen cell pair is maintained prior to 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 Βχ (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+1 (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 Βχ (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+1 (10B) que não conduz.In Figures 5 to 8 it is possible to observe the current path in the converter, for a type 1 switching in which the cell Βχ (1) was discharging in the previous state and in the current state it is intended to load cell B n (4 ). For the reasons mentioned above, in step 1, referring to Figure 6, diode D n + 1 (10B) is inversely polarized, so it does not conduct. In step 2 (Figure 7) the same situation happens with diode D ' 2 (12B). On the other hand, in Figures 9 to 12 a type 2 switching is illustrated, in which the opposite is to be done, that is, to go from a situation in which cell B n (4) was charging in the previous state and in state current is intended to discharge cell Βχ (1). In this case, in step 1, referring to Figure 10, it is diode D'2 (12B) which is inversely polarized and in step 2, referring to Figure 11, is diode D n + 1 (10B) which does not conduct.
Para ilustrar com exemplos o processo de comutação a 3 passos consideram-se os quatro casos distintos:To illustrate with examples the 3-step switching process the four distinct cases are considered:
A) A célula Βξ tem índice i inferior ao indice j (i< j) da célula Bj (Processo de comutação do tipo 1)A) Cell ξ ξ has index i lower than index j (i <j) of cell Bj (Type 1 switching process)
Al) 0 estado de carga de ΒΞ é maior do que o de B: Al) The charge state of Β Ξ is greater than that of B :
Neste caso, o processo de comutação em 3 passos do tipo 1 garante a transferência de energia da célula mais carregada, Bz, ou seja, Bi (1) ou B2 (2) ou B3 (3) , de índice i, ie{l,2,...,n-l] inferior ao índice j,(i<j), je{2,3,...,n}, da célula B: menos carregada, ou seja B2 (2) ou B3 (3) ou Bn (4), sem intervenção de outras células, tendo em conta as seguintes etapas:In this case, the type 1 3-step switching process ensures energy transfer from the most charged cell, B z , ie Bi (1) or B 2 (2) or B 3 (3), of index i, ie {1,2,2 ..., nl] lower than the index j, (i <j), je {2,3, ..., n}, of cell B : least loaded, ie B 2 (2) or B 3 (3) or B n (4), without the intervention of other cells, taking into account the following steps:
- Estado inicial - estado de descarga - estão comandados em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho, designado S^^enor (6A), ou (7A) , ou (8A), e o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho designado S' untenor (12A), ou (13A), ou (14A), ligados à célula Βξ mais carregada, que será B2 (1) se i=l, sendo os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (6A) e (12A), ou que será B2 (2) se i=2, sendo os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (7A) e (13A), e assim sucessivamente até i=n-l, correspondente à célula B3 (3) e aos semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (8A) e (14A). Mantêm-se ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, de forma a baixar o estado de carga da célula mais carregada, até que a corrente na bobina (5) atinja o nível máximo definido na secção Controlo por realimentação da corrente Íl;- Initial state - Discharge state - The open and close command power semiconductor, referred to as "6", or (7A), or (8A), and the open command power semiconductor, are controlled in driving. and to the lock designated S 'untenor (12A), or (13A), or (14A), connected to the most charged cell ξ ξ , which will be B 2 (1) if i = 1, the power semiconductors being commanded to open and to closure (6A) and (12A), or that will be B 2 (2) if i = 2, the power semiconductors being commanded to open and close (7A) and (13A), and so on to i = nl, corresponding to cell B 3 (3) and the opening and closing power semiconductors (8A) and (14A). The remaining open and close commanded power semiconductors are kept in the cut in order to lower the load state of the most loaded cell until the current in the coil (5) reaches the maximum level defined in the section Feedback control. current I1;
- No primeiro passo de comutação, continuam em condução os ditos semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, ligados à dita célula ΒΞ mais carregada, e comandase em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho designado 3Ξ_ηονο (8A) , ou (9A), ou (10Α), ligado à célula B: menos carregada de índice superior j>i, ou seja, se esta for a célula B2 (2) , liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S3 (8A), ou se for a célula B3 (3), liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho (9A), e assim sucessivamente até ao caso em que a célula menos carregada é a Bn (4), em que o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho 3Ξ_ηονο é ο (10A), mantendo ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho;- in the first switching step remain in driving said power semiconductor controlled opening and closing, connected to said Β Ξ most cell charged and comandase in driving the power semiconductor controlled opening and the assigned closure 3 Ξ _ ηον ο (8A), or (9A), or (10Α), connected to cell B : less charged higher index j> i, ie if this is cell B 2 (2), the power semiconductor is connected opening and closing command S 3 (8A), or if it is cell B 3 (3), the opening and closing controlled power semiconductor (9A) is connected, and so on until the cell least charged is B n (4), where the opening and closing power semiconductor 3 Ξ _ ηον ο is ο (10A), keeping the remaining opening and closing power semiconductors cut;
- No segundo passo de comutação, comandam-se em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S'1-ηονο da célula B: menos carregada de índice j superior a i e coloca-se ao corte o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S^^enor da célula mais carregada de índice i inferior a j. Por exemplo, para o caso em que a célula mais carregada é a Bi se a célula menos carregada for a B2 (2), liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S'2 (12A) da célula de índice superior e desliga-se o semicondutor de potência comandado inferior, ou se a célula menos carregada for liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e se o semicondutor da célula de índice superior e desligade potência comandado à abertura e ao célula de índice inferior, e assim sucessivamente, mantendo-se em condução os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho- In the second switching step, the open and close controlled power semiconductor S'1-ηονο is driven in driving : less loaded j-index higher than i and the open-controlled power semiconductor is cut off and closing closer to the most charged cell of index i of less than j. For example, in the case where the most charged cell is Bi if the least charged cell is B 2 (2), the command-driven power semiconductor connects to the opening and closing S ' 2 (12A) of the upper-index power and the lower-powered semiconductor turns off, or if the least-charged cell is turned on, the open-power-powered semiconductor turns on, and if the upper-index-powered semiconductor turns off the open-power and index-cell power and so on, keeping the power semiconductors commanded to open and close
Si_novo θSi_novo θ
S' i_anterior, com os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho ao corte;S 'i_ an terior, with the remaining power semiconductors controlled opening and closing the cut;
- No terceiro passo de comutação - estado de carga continuam em condução os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho 3Ξ_ηονο θ Shjovo da célula menos carregada de índice superior, ou seja, se for a célula B2 (2) , serão os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho S3 (8A) e S' 2 (12A), e assim sucessivamente até à célula Bn (4), em que são os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho Sn+1 (10A) e S'n (14A), e são colocados ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, de forma a aumentar o estado de carga da célula Bj, até que a corrente na bobina (5) atinja o valor mínimo definido.- In the third switching step - state of charge the power semiconductors commanded to open and close continue to conduct. 3 Ξ _ ηον ο θ Shjovo of the less highly charged cell, ie if it is cell B 2 (2) , will be the opening and closing controlled power semiconductors S 3 (8A) and S ' 2 (12A), and so on to cell B n (4), where opening and closing controlled power semiconductors are S n + 1 (10A) and S ' n (14A), and the remaining opening and closing commanded power semiconductors are cut to increase the load state of cell Bj until the current in the coil (5) reaches the minimum value set.
A2) 0 estado de carga de ΒΞ é menor do que o de B: A2) The charge state of Β Ξ is lower than that of B :
Neste caso, o processo de comutação em 3 passos do tipo 1 garante a transferência de energia para uma célula menos carregada, B2 (1) ou B2 (2) ou B3 (3), de índice i inferior ao de uma célula mais carregada j (i<j), B2 (2) ou B3 (3) ou Bn (4), sem intervenção de outras células, tendo em conta as seguintes etapas:In this case, the type 1 3-step switching process ensures energy transfer to a less charged cell, B 2 (1) or B 2 (2) or B 3 (3), with an i-index lower than that of a cell more charged j (i <j), B 2 (2) or B 3 (3) or B n (4), without intervention from other cells, taking into account the following steps:
- No estado inicial - estado de carga - estão comandados em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S^^enor (7A) , ou (8A), ou (9A), e o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S' i_anterior (11A), ou (12A), ou (13A), ligados à célula ΒΞ menos carregada, que será B2 (1) se i=l, sendo os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (7A) e (11A), ou que será B2 (2) se i=2, sendo os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (8A) e (12A), e assim sucessivamente até i=n-l, correspondente à célula B3 (3) e aos semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (9A) e (13A), e continuam ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, de forma a aumentar o estado de carga da célula ΒΞ menos carregada, até que a corrente na bobina (5) atinja o nível mínimo definido;- In the initial state - state of charge - the driving open and close power semiconductor (7A) or (8A) or (9A) and the opening and closing power semiconductor are controlled while driving. the seal S 'i_ f alkylene (11A) or (12A) or (13A) connected to the cell Β Ξ less loaded, which is B 2 (1) if i = l, with the power semiconductors controlled opening and to closure (7A) and (11A), or B 2 (2) if i = 2, the power semiconductors being commanded to open and close (8A) and (12A), and so on to i = nl, corresponding to cell B 3 (3) and the opening and closing controlled power semiconductors (9A) and (13A), and the remaining opening and closing controlled power semiconductors continue to be cut in order to increase the operating state. load cell Β Ξ less charged, until the current in the coil (5) reaches the set minimum level;
- No primeiro passo de comutação, continuam em condução os ditos semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, ligados à dita célula ΒΞ menos carregada, e comandam-se em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho 3Ξ_ηονο (7A) , ou (8A), ou (9A), ligado à célula B: mais carregada, ou seja, se esta for a célula B2 (2) , liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S2 (7A), ou se for a célula B3 (3), liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho (8A), e assim sucessivamente, mantendo ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho;- in the first switching step remain in driving said power semiconductor controlled opening and closing, connected to said Β Ξ cell under load, and command on driving the power semiconductor controlled the opening and closing means 3 Ξ _ ηον ο (7A), or (8A), or (9A), connected to cell B : more charged, that is, if this is cell B 2 (2), the controlled power semiconductor is connected to the opening and the lock S 2 (7A), or if it is cell B 3 (3), opens the opening-controlled power semiconductor and closure (8A), and so on, keeping the remaining opening-controlled power semiconductors cut and at closing;
- No segundo passo de comutação, comandam-se em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho Stjovo da célula mais carregada de índice superior e coloca-se ao corte o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho Si_anterior da célula Ba menos carregada, isto é, se a célula B2 (2) for a mais carregada e a B2 (1) a menos carregada, liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S'3 (13A) e coloca-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S2(7A) ao corte, mantendo em condução os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho S1JOvo e S' i_anterior, com os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho ao corte;- the second switching step, if command in driving the power semiconductor controlled to open and Stjovo closing of most cell loaded with superscript and placed to cut off the power semiconductor controlled opening and closing SI_ f alkylene of B cell unless charged, i.e., whether the cell B 2 (2) is loaded and the most 2 B (1) under load, connects the power semiconductor controlled the opening and closing S'3 (13A ) and place the semiconductor power driven opening and closing S2 (7A) for cutting, holding for driving the power semiconductors controlled opening and closing S 1 OJ ve and S 'i_ an terior, with the remaining semiconductor commanded power at opening and closing at cutting;
- No terceiro passo de comutação - estado de descarga - continuam em condução os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho 3Ξ_ηονο θ 3' da célula mais carregada de índice superior, ou seja, se for a célula B2 (2) , serão os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho S2 (7A) e S'3 (13A), e assim sucessivamente até à célula Bn (4) em que são os semicondutores de potência Sn (9A) e S'n+1 (15A), colocando ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, de forma a diminuir o estado de carga da dita célula, até que a corrente na bobina (5) atinja o valor máximo definido.- the third switching step - discharge state - continue for driving the power semiconductors controlled the opening and closing means 3 Ξ _ ηον ο θ 3 'most cell loaded higher index, ie, if the B cell 2 ( 2), will be the opening and closing power semiconductors S 2 (7A) and S ' 3 (13A), and so on to cell B n (4) where are the power semiconductors S n (9A) and S ' n + 1 (15A) by shearing the remaining power semiconductors commanded to open and close so as to decrease the charge state of said cell until the current in the coil (5) reaches the maximum value. defined.
B) A célula Bz tem índice i superior ao índice j (i>j) da célula Bj (Processo de comutação do tipo 2)B) Cell B z has index i higher than index j (i> j) of cell Bj (Type 2 switching process)
Bl) 0 estado de carga de ΒΞ é menor do que o de B: processo de comutação em 3 passos do tipo 2 garante a transferência de energia de uma célula menos carregada, B2 (2) ou B3 (3) até Bn (4), de índice i superior ao de uma célula j (i>j) mais carregada, Bi (1) ou B2(2) até Bn_2 (3), sem intervenção outras células, observando as seguintes etapas:Bl) The charge state of Β Ξ is lower than that of B : Type 2 3-step switching process ensures energy transfer from a less charged cell, B 2 (2) or B 3 (3) to B n (4), index i greater than that of a more loaded j (i> j) cell, Bi (1) or B 2 (2) to B n _ 2 (3), without further intervention, by following these steps: :
- No estado inicial - estado de carga - está comandado em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S^^enor (8A), ou (9A), ou (10A), e o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S' untenor (12A), ou (13A), ou (14A), ligado a uma célula ΒΞ menos carregada, que será B2 (2) se i = 2, sendo os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (8A) e (12A), ou que será B3 (3) se i = 3, sendo os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (9A) e (13A), e assim sucessivamente até i=n, correspondente à célula Bn (4) e aos semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (10A) e (14A), e continuam ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, de forma a aumentar o estado de carga da dita célula menos carregada, até que a corrente na bobina (5) atinja o nível mínimo definido;- In the initial state - state of charge - the driving open and close power semiconductor (8A) or (9A) or (10A) and the opening and closing power semiconductor are controlled while driving. to lock S 'untenor 12A, or (13A) or (14A), connected to a less charged cell Β Ξ , which will be B 2 (2) if i = 2, the power semiconductors being commanded to open and (8A) and (12A), or that will be B 3 (3) if i = 3, the power semiconductors being commanded to open and close (9A) and (13A), and so on until i = n, corresponding to cell B n (4) and the opening and closing power semiconductors 10A and 14A, and the remaining opening and closing power semiconductors continue to cut to increase the state of charge said less charged cell until the current in the coil (5) reaches the minimum set level;
- No primeiro passo de comutação, continuam em condução os ditos semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, ligados à dita célula ΒΞ menos carregada, e comandase em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho Sfjovo (12A), ou (13A), ou (14A) ligado a uma célula mais carregada de índice inferior, ou seja, se esta for a célula Βχ (1), liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S'2 (12A) , ou se for a célula B2 (2), liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S'3 (13A), e assim sucessivamente, mantendo ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho;- in the first switching step remain in driving said power semiconductor controlled opening and closing, connected to said Β Ξ cell least loaded and comandase for driving the power semiconductor controlled opening and closing Sfjovo (12A) or (13A), or (14A) connected to a lower charged higher cell, i.e. if this is cell (χ (1), the command-driven power semiconductor connects to the opening and closing S ' 2 (12A ), or if it is cell B 2 (2), the opening and closing controlled power semiconductor S ' 3 (13A) is connected, and so on, keeping the remaining opening and closing controlled power semiconductors close;
- No segundo passo de comutação, comanda-se em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho Sijovo da célula mais carregada de índice inferior e colocase ao corte o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S' i_anterior da célula menos carregada, isto é, se a célula mais carregada for a Βχ (1) e a menos carregada for a B2 (2), comanda-se em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho Sx (6A) da célula de índice inferior e coloca-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S'2 (12A) da célula de índice superior ao corte, e assim sucessivamente, mantendo em condução os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho S^tenor e β'^ηονο, com os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho ao corte;- In the second switching step, the Sijovo opening and closing power-controlled semiconductor of the lower most charged cell is driven and the lower opening and closing power semiconductor S 'i_ anti least charged cell, that is, if the most charged cell is Βχ (1) and the least charged cell is B 2 (2), the open and close command semiconductor command Sx (6A) of the lower index cell and place the open and close command-driven power semiconductor S ' 2 (12A) of the upper-cut index cell, and so on, keeping the open and close command-driven power semiconductors in motion ^ tenor and β '^ ηονο, with the other power semiconductors commanded to open and close to cut;
- No terceiro passo de comutação - estado de descarga continuam em condução os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho 3Ξ_ηονο θ Sfjovo da célula mais carregada de índice inferior, ou seja, se for a célula Βχ (1), serão os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho Si (6A) e S'2 (12A), colocando ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, de forma a diminuir o estado de carga da dita célula, até gue a corrente na bobina (5) atinja o valor máximo definido.- In the third switching step - discharge state, the power semiconductors commanded to open and close continue to conduct. 3 Ξ _ ηον ο θ Sfjovo of the lowest index cell, ie if it is cell Βχ (1), will be the opening and closing power semiconductors Si (6A) and S ' 2 (12A), cutting the remaining opening and closing power semiconductors in order to decrease the charge state of said cell, until the current in the coil (5) reaches the maximum set value.
B2) 0 estado de carga de ΒΞ é maior do gue o de B: processo de comutação em 3 passos do tipo 2 garante a transferência de energia de uma célula mais carregada, B2 (2) ou B3 (3) até Bn (4), de índice i superior ao de uma célula j (i>j) menos carregada, B2 (1) ou B2(2) até Bn_2 (3) , sem intervenção de outras células, observando as seguintes etapas:B2) The state of charge of Β Ξ is higher than that of B : Type 2 3-step switching process ensures energy transfer from a more charged cell, B 2 (2) or B 3 (3) to B n (4), index i higher than that of a less charged j (i> j) cell, B 2 (1) or B 2 (2) to B n _ 2 (3), without intervention of other cells, observing the following steps:
- No estado inicial - estado de descarga - comandam-se em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho Si_anterior (7A), ou (8A), ou (9A), e o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S'antenor (13A) , ou (14A), ou (15A), ligado a uma célula ΒΞ mais carregada, gue será B2 (2) se i=2, sendo os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (7A) e (13A), ou que será B3 (3) se 1=3, sendo os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (8A) e (14A), e assim sucessivamente até j=n, correspondente à célula Bn (4) e aos semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho (9A) e (15A), e continuam ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, de forma a diminuir o estado de carga da dita célula mais carregada, até que a corrente na bobina (5) atinja o nível máximo definido;- In the initial state - discharge state - if command in driving the semiconductor power operated to open and SI_ closing f alkylene (7a) or (8a) or (9a), and the power semiconductor controlled opening and S ' an tenor lock (13A), or (14A), or (15A), connected to a more charged cell g Ξ , which will be B 2 (2) if i = 2, the power semiconductors being commanded to open and to closure (7A) and (13A), or B 3 (3) if 1 = 3, the power semiconductors being commanded to open and close (8A) and (14A), and so on to j = n, corresponding to cell B n (4) and the opening and closing controlled power semiconductors (9A) and (15A), and the remaining opening and closing controlled power semiconductors continue to cut in order to decrease the load of said most charged cell until the current in the coil (5) reaches the set maximum level;
- No primeiro passo de comutação, continuam em condução os ditos semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, ligados à dita célula Bz mais carregada, e comanda se em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho Shjovo (HA), ou (12A), ou (13A), ligado a uma célula menos carregada de índice inferior, ou seja, se esta for a célula Βχ (1), liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S'x (11A), e assim sucessivamente, mantendo ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho;- In the first switching step, said opening and closing controlled power semiconductors, connected to said most charged B z cell, continue to be driven, and Shjovo (HA) opening and closing controlled semiconductor power is controlled. , or (12A), or (13A), connected to a less charged lower index cell, ie if this is cell Βχ (1), the command-driven power semiconductor connects to the opening and closing S'x (11A), and so on, keeping the remaining power semiconductors commanded to open and close;
- No segundo passo de comutação, comanda-se em condução o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho Si_novo da célula menos carregada de índice inferior e coloca-se ao corte o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S' ^ntenor da célula mais carregada, isto é, se a célula menos carregada for a Βχ (1) e a mais carregada for a B2 (2), liga-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho S2 (7A) da célula de índice mais baixo e coloca-se o semicondutor de potência comandado à abertura e ao fecho ΞΆ (13A) da célula de índice mais alto ao corte, e assim sucessivamente, mantendo em condução os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho Superior e S' Ξ_ηονο, com os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho ao corte;- In the second switching step, the opening and closing power semiconductor controlled Si_novo of the lower index load cell is driven and the opening and closing power semiconductor controlled S1 ^ ntenor is cut. of the most charged cell, that is, if the least charged cell is Βχ (1) and the most charged one is B 2 (2), the command-driven power semiconductor is connected to the opening and closing S 2 (7A) of the lower index cell and place the open and close command-driven power semiconductor ΞΆ (13A) of the highest index cell to cut, and so on, keeping the Top-open and close-command-driven power semiconductors in motion. and S ' Ξ _ηονο, with the other power semiconductors commanded to open and close when cut;
- No terceiro passo de comutação - estado de carga continuam em condução os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho Si_noVo e S'i_novo da célula menos carregada de índice inferior, ou seja, se for a célula Βχ (1), serão os semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho S2 (7A) e S'x (11A), e colocam-se ao corte os restantes semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho, de forma a aumentar o estado de carga da célula B:, até que a corrente na bobina (5) atinja o valor mínimo definido.- In the third switching step - state of charge, the power semiconductors commanded to open and close will continue conducting. Si_ noV o and S'i_novo of the less charged lower index cell, ie if it is cell Βχ (1), opening and closing power semiconductors S 2 (7A) and S'x (11A), and the remaining opening and closing power semiconductors are cut to increase the charge state of the cell B : until the current in the coil (5) reaches the minimum set value.
DESCRIÇÃO DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS (EXEMPLOS)DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS (EXAMPLES)
A invenção descrita foi implementada com semicondutores deThe invention described was implemented with semiconductors of
ser utilizados semicondutores de potência comandados à abertura e ao fecho do tipo Transístor Bipolar de Porta Isolada, Transístor de Efeito de Campo de Porta Isolada, Tirístor de Corte Comandado, Transístor Bipolar de Junção,open and close power semiconductors of the Isolated Gate Type Bipolar Transistor, Isolated Gate Field Effect Transistor, Commanded Cut Thyristor, Bipolar Junction Transistor,
Transístor de Indução Estática, Tirístor Controlado por estruturas Metal Óxido Semicondutor ou outro dispositivo com funções análogas.Static Induction Transistor, Structure Controlled Thyristor Metal Oxide Semiconductor or other similar function device.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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BB1A | Laying open of patent application |
Effective date: 20130130 |
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FG3A | Patent granted, date of granting |
Effective date: 20150123 |