EqualitzaciEqualització de bateries en Equalització de ...0/jaen_.pdf · Conference 2009,...

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

Equalització de bateries en vehicles elèctrics

EqualitzaciEqualitzacióó de de bateriesbateries en en vehicles vehicles elelèèctricsctrics

Carles Jaen, Josep Pou, Jordi ZaragozaDaniel Osorno i Carles Gallardo

XVI Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica Campus de Terrassa

02 Desembre



02 Desembre

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

2

IndexIndex

• Introducció

• Comparativa de bateries

• Equalització de bateries

• Exemples de circuits equalitzadors

• Conclusions

• Referències i Fonts Bibliogràfiques

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

3

IntroduccióIntroducció

• La aparició dels vehicles híbrids (HEV), híbrid endollables (PHEV) i elèctrics purs (EV) han fet evolucionar la tecnologia de les bateries

• Es necessari trobar noves tecnologies de bateries, lleugeres i amb elevada densitat energètica

• La tracció elèctrica imposa un bus de continua de tensions elevades, això implica la interconnexiósèrie de les cel·les.

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

4

Comparativa de bateries (1)Comparativa de bateries (1)

• Bateria Primària• Bateria Secundaria

No considerem aquí:

• Cèl·lula de combustible• Ultra condensador

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

5


Atenent al tipus d’electròlit:

• Bateries humides (ex.:Nj-Cd, Pb-Acid)• Bateries seques ( ex.: Zn-C)• Bateries de sal fosa (molten salt)

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

6

Comparativa de bateries (2)Comparativa de bateries (2)Atenent a les densitats energètiques:

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

7


ComparativaComparativa de combustiblesde combustibles

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

8

TipusTensiócel·la Densitat energia Potència Eficiència

Energia/Preu

Auto descarrega Cicles

Vida estimada

Comercialització

(V) (MJ/Kg) (Wh/kg) (Wh/l) (W/Kg) (%) (Wh/$) (%/mes) Anys

Lead-acid 2,10.11-0.14 30-40 60-75 180

70%-92% 5-8 3%-4%

500-800

5-8 (car), 20 (stat) 1881

VRLA (1) 2

Alkaline 1,50 0.31 85 250 50 <0.3 100-1000 <5

Ni-iron 1,2 0.18 50 50-55 100 65% 5-7.320%-40% 30-50 1901

Ni-cadmium 1,20.14-0.22 40-60

50-150 400

70%-90% 20% 1500 1956

NIH2 1,5 0.27 75 60 220 85% ↓↓↓ 20.000 15+

NiMH 1,20.11-0.32 30-90

140-300 180 66%

0.5-1.5 30% 1000 1990

Ni-zinc 1,60.22-0.36

60-100

170-280 900 86% 2-3.3

400-800 1920

Li ion 3,6 0.58 160270-410 300

80%-90% 2.8-5

5%-10% 1200 2-3 1999

Li polymer 3,70.47-0.72

130-200

300-380 360

2.8-5.0 5%

500~1000 2-3 1992


JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

9


Tipus

Tensiócel·la Densitat energia Potencia Eficiència

Energia/Preu

Auto descarrega Cicles

Vida estimada

Comercialització

(V) (MJ/Kg) (Wh/kg) (Wh/l) (W/Kg) (%) (Wh/$) (%/mes) Anys

LiFePO4 3,250.29-0.44

80-120 170 1400

0.7-3.0 2000+ 2004

Li sulfur 20.94-1.44

260-400 350

89%-92% ~1000 2003

NanoTitanate(Li-ion) 2,3 0.27 74 126

400-1100

87% a

95%0.5-1.0 ???

9000-12000 20+ 2009

Thin film Li 3,90.9-1.1

250-300 1000

2500-6000 ?? ?? 40000 ??

ZnBr 1,80.21-0.29 60-80

33-35 70% 2,5 2000

Vanadiumredox

1,15-1,55

0.03-0.07 10-20

15-25 80% 20% 14 10(stat) 1980

NaS 2 0.43 120 170 15 87% 0,55moltpetita 2500 15 2002

Molten salt

(ZEBRA) 2.58 0.32 90 160150-220 4.54

18% (dia) 3000+ 8+

Super iron 1.7 1.4* 400 *

Silver zinc

(Zpower) 1.7 0.47 130240-450 ??? ??? 200

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

10

Comparativa de bateries (6)Comparativa de bateries (6)Tipus Avantatges Inconvenients

Lead-acid Pes elevat y "reciclat" del Plom

Alkaline Molt baixa auto descarregaAptes para descàrregues parcials i poca disponibilitat

Ni-iron Molt llarga vida Baixa Eficiència

Ni-cadmium Gran potencia específica "Reciclat" del cadmi i "Efecte memòria"

NIH2 Duració Recipient a alta prensió i preu

NiMH Disponibilitat i prestacions equilibradesHonda EV+, Toyota RAV4-EV

Ni-zinc Similars a NiMH amb cel·les de 1,6V Baixa disponibilitat per ara

Li ion Desitjat de energia alta Perill de incendi … Nissan FEVII

Li polymer Ídem Perilloses i mal comportament a baixa Temperatura

LiFePO4 Prestacions equilibrades Baixa producció i falta de experiència a llarg termini General Motors

Li sulfur Eficiència Temperatura de funcionament 300-350º

Nano Titanate (Li-ion) Molt mes ràpides de carregar

Thin film Li Funcionament a altes temperatures 150º Mides petites i experimentals

ZnBr Accepta descarregues profundes continuades Solsament aptes per Grans instal·lacions

Vanadium redox Recarrega per canvi del electròlit Grans mides

NaS 300º-350ºC Grans instal·lacions

Molten salt (ZEBRA) En desenvolupament 270º-350ºC BMW i altres

Super iron En investigació

Silver zinc (Zpower) Molt cares

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

11

Equalització de bateries (1)Equalització de bateries (1)

Per els busos de DC dels VE cal la connexió sèrie de moltes cel·les de bateries.

• La differences de tensió de les cel·les es genera per canvisen la impedancia interna i/o en la disminució de la sevacapacitat degut a la fabricació i al seu envelliment

• La càrrega i descàrrega repetitiva causa un desequilibri de càrrega entre les cel·les, la seva degradació aixi com limitarla seva vida i la capacitat d’energia del conjunt

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

12


La equalització és el procès mitjançant el qual s’eliminenel problemes de:

• Reducció de la vida util

• Reducció de la capacitat

• Risc d’explosió (sols en el cas de ió-Li)

La equalització és el procès que permet mantenir la mateixa tensió en totes les cel·les connectades en sèriedurant els procesos de càrrega i/o descàrrega

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

13


• Dissipatius

• No dissipatius

Classificacions de circuits equalitzadors

• Per càrrega

• Per descàrrega

• Per càrrega i descàrrega

• Control central

• Control per cel·la

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

14


a) Resistencia en paral·lel

b) Diode zener

c) Resistencia activa

Circuits equalitzadors dissipatius

(a) (b) (c)

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

15


Basats en convertidors DC/DC

• Estructura flyback• Estructura buck-boost• Estructura amb capacitats commutades

Circuits equalitzadors no dissipatius

El principi és la transferencia energètica de la cel·la de més tensió a la de menys tensió o al conjunt de cel·lesamb la pèrdua mínima d’energia

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

16

Equalització de bateries (6)Equalització de bateries (6)Resum de prestacions de Circuits equalitzadors

EstructuraDissipatiu (D)

No-dissipatiu (ND)Actiu (A)Pasiu (P)

Tipus

Control central/

Control per cel·la

Resistencia D P Càrrega Sense

Zener D P Càrrega Sense

Resistencia activa

D A Càrrega Control cel·la

Single Flyback ND A Càrrega Control central

Dual FlybackND A Càrrega

/Descàrrega Control cel·la

Buck-boost ND A Càrrega/Descàrrega Control cel·la

Capacitatcommutada

ND A Càrrega/Descàrrega Control cel·la

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

17

Exemples d’equalització de bateries (1)


Estructura flyback, tipus càrrega

Control centralitzat Control individual per cel·la

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

18



Li-ió, HEV, estructura flyback, tipus càrrega

Circuit per 4 cel·les Prototipus de 40 cel·les 7Ah

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

19



Li-ió, EV/HEV, estructura capacitat commutada, tipus càrrega/descàrrega

Circuit general Circuit unitari

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

20



Li-ió, EV/HEV, estructura buck-boost,tipus càrrega/descàrrega

Circuit general Circuit unitari

(*) ICE: Equalitzador individual de cel·la

(*)

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

21



JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

22

ConclusionsConclusions

• La aparició dels HEV, PHEV, EV i altres aplicacions demanden evolucionar la tecnologia de les bateries

• Cal trobar noves tecnologies, lleugeres, amb elevada densitat energètica i segures

• La equalitzacio és necessària si es vol millorar la seva vida i tenir una utilització segura

• La aparició de les bateries basades en Li-ió ha fet créixer la recerca en nous circuits equalitzadors

JCE

E’1

0

T

ER

RA

SS

A

No

vem

bre

/Des

emb

re 2

010

23

Bateries:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c6/Energy_density.svghttp://www.motor.es/noticias/toyota-nueva-generacion-de-baterias-para-coches-electricos.phphttp://www.madkatz.com/ev/batteryTechnologyComparison.htmlhttp://www.rtpnet.org/~teaa/battery.htmlhttp://www.mkbattery.com/images/VRLA_TechManual.pdfhttp://www.battcon.com/PapersFinal2009/ClarkPaper2009FINAL_12.pdfhttp://www.beutilityfree.com/content/pdf_files/NiFeFlyer.pdfhttp://www.mpoweruk.com/nickel_iron.htm

Equalització:

• Hong-Sun Park, Chong-Eun Kim, Chol-Ho Kim, Bong-Chul Kim, Gun-Woo Moon and Joong-HuiLee,”Modularized Charge equalization converter with high power density and low voltage stress for HEV lithium-ion battery string”, in Proc. 7th International Conference on Power Electronics, Daegu, Korea, Oct. 2007, pp784-789• Ming-Wang Cheng, Yuang-Shung Lee, Ren-Her Chen and Wun-Tong Sie, “ Cell voltage equalizationusing ZCS SC bidirectional converters”, in Proc. 31th International Telecommunications EnergyConference 2009, INTELEC’09, pp 1-6• Yuang-Shung Lee and Guo-Tian Cheng, “Quasi-resonant zero-current-switching bidirectional converterfor battery equalization applications”, IEE trans. On Power Electronics, vol. 21, nº 5, Sept. 2006, pp1213-1224

Referències i FontsReferències i FontsJC

EE

’10

TE

RR

AS

SA

N

ove

mb

re/D

esem

bre

201

0

24

Equalització de bateries en vehicles elèctrics

EqualitzaciEqualitzacióó de de bateriesbateries en en vehicles vehicles elelèèctricsctrics



02 Desembre



02 Desembre

Gràcies per la vostra atencióGrGrààciescies per la per la vostravostra atenciatencióó

EqualitzaciEqualització de bateries en Equalització de ...0/jaen_.pdf · Conference 2009,...

Documents

Transcript of EqualitzaciEqualització de bateries en Equalització de ...0/jaen_.pdf · Conference 2009,...