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
Carles Jaen, Josep Pou, Jordi ZaragozaDaniel Osorno i Carles Gallardo
XVI Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica Campus de Terrassa
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
Comparativa de bateries (2)Comparativa de bateries (2)
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
Comparativa de bateries (3)Comparativa de bateries (3)
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/$) (%/mes) Anys
Lead-acid 2,10.11-0.14 30-40 60-75 180
70%-92% 5-8 3%-4%
500-800
5-8 (car), 20 (stat) 1881
VRLA (1) 2
Alkaline 1,50 0.31 85 250 50 <0.3 100-1000 <5
Ni-iron 1,2 0.18 50 50-55 100 65% 5-7.320%-40% 30-50 1901
Ni-cadmium 1,20.14-0.22 40-60
50-150 400
70%-90% 20% 1500 1956
NIH2 1,5 0.27 75 60 220 85% ↓↓↓ 20.000 15+
NiMH 1,20.11-0.32 30-90
140-300 180 66%
0.5-1.5 30% 1000 1990
Ni-zinc 1,60.22-0.36
60-100
170-280 900 86% 2-3.3
400-800 1920
Li ion 3,6 0.58 160270-410 300
80%-90% 2.8-5
5%-10% 1200 2-3 1999
Li polymer 3,70.47-0.72
130-200
300-380 360
2.8-5.0 5%
500~1000 2-3 1992
Comparativa de bateries (4)Comparativa de bateries (4)
JCE
E’1
0
T
ER
RA
SS
A
No
vem
bre
/Des
emb
re 2
010
9
Comparativa de bateries (5)Comparativa de bateries (5)
Tipus
Tensiócel·la Densitat energia Potencia Eficiència
Energia/Preu
Auto descarrega Cicles
Vida estimada
Comercialització
(V) (MJ/Kg) (Wh/kg) (Wh/l) (W/Kg) (%) (Wh/$) (%/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
Equalització de bateries (2)Equalització de bateries (2)
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
Equalització de bateries (3)Equalització de bateries (3)
• 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
Equalització de bateries (4)Equalització de bateries (4)
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
Equalització de bateries (5)Equalització de bateries (5)
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)
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
Exemples d’equalització de bateries (2)
Exemples d’equalització de bateries (2)
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
Exemples d’equalització de bateries (3)
Exemples d’equalització de bateries (3)
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
Exemples d’equalització de bateries (4)
Exemples d’equalització de bateries (4)
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
Exemples d’equalització de bateries (5)
Exemples d’equalització de bateries (5)
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
Carles Jaen, Josep Pou, Jordi ZaragozaDaniel Osorno i Carles Gallardo
XVI Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica Campus de Terrassa
02 Desembre
Carles Jaen, Josep Pou, Jordi ZaragozaDaniel Osorno i Carles Gallardo
XVI Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica Campus de Terrassa
02 Desembre
Gràcies per la vostra atencióGrGrààciescies per la per la vostravostra atenciatencióó