ES2236580T3 - Metodo de predecir la energia disponible de una bateria. - Google Patents
Metodo de predecir la energia disponible de una bateria.Info
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Abstract
Un método de predecir la energía disponible de una batería de plomo-ácido mediante una prueba independiente del estado de carga de la batería, comprendiendo dicho método las operaciones de: determinar la resistencia interna (IR) de la batería que se prueba; medir el voltaje en circuito abierto (OCV) y la temperatura (T) de la batería que se prueba; calcular los puntos de voltaje y de intensidad (Vgas e Igas) a los que la batería realiza una transición desde un estado de carga a uno de sobrecarga o de un estado de sobrecarga a uno de carga en respuesta a, por lo menos, una de entre las condiciones de carga y de descarga, cuya operación de calcular Vgas e Igas comprende: aplicar a la batería una corriente en rampa (I) en cada una de las direcciones positiva y negativa, vigilar la respuesta de voltaje (V) a la intensidad (I) aplicada, y determinar los puntos máximos de la pendiente; desarrollar un algoritmo de predicción de la energía disponible en función de los parámetros de la batería; y aplicar los valores adquiridos de los parámetros de la batería que se prueba al algoritmo para predecir la energía disponible en la batería que se prueba, caracterizado porque los puntos máximos de Vgas e Igas de la pendiente en la rampa de corriente positiva son Vsubida e Isubida en la transición de carga a descarga y, en la rampa negativa son Vbajada e Ibajada en la transición de sobrecarga a carga; la operación de desarrollar el algoritmo comprende utilizar los parámetros OCV, T, IR, Vsubida e Isubida y Vbajada e Ibajada de la batería, y la operación de aplicar los valores adquiridos de los parámetros de la batería comprende aplicar los valores de los parámetros OCV, T, IR, Vsubida e Isubida y Vbajada e Ibajada de la batería que se prueba al algoritmo para predecir la energía disponible en la batería que se prueba.
Description
Método de predecir la energía disponible de una
batería.
El invento se refiere a un método de predecir la
energía disponible de una batería y el tiempo de funcionamiento
disponible para tal batería en cualquier estado de carga, utilizando
un procedimiento de prueba no invasivo.
Con frecuencia se desea determinar la capacidad
real de una batería, medida usualmente en
amperios-hora (Ah) y, particularmente de una batería
del tipo acumulador de plomo-ácido. Los métodos usuales para
determinar la capacidad de un acumulador de plomo-ácido suponen
cargar totalmente el acumulador hasta conseguir un estado de carga
(SOC) del 100% y, luego, descargarlo completamente a un valor de
intensidad (amperios) constante. La capacidad de la batería se
determina multiplicando el valor de la corriente de descarga (en
amperios) por el tiempo de descarga (en horas) necesario para
descargar por completo la batería.
Después de descargarla para determinar su
capacidad, la batería debe cargarse de nuevo por completo para
dejarla lista para el uso. Como se ve, este método supone una
cantidad significativa de ciclos de carga y de descarga y lleva
tiempo, ya que se tarda mucho, relativamente, en cada uno de los
ciclos de carga y de descarga. El método por ciclos puede ser,
también, destructivo para el buen estado de la batería. Por ejemplo,
en un acumulador de plomo-ácido, pueden generarse gases al
sobrecargar el acumulador, con los daños consiguientes. Asimismo, la
batería se desgasta debido a los ciclos de carga/descarga.
La prueba antes mencionada proporciona,
básicamente, un análisis de la condición estática de una batería y
no proporciona una medida de su comportamiento futuro. Con
frecuencia, también es importante poder predecir la energía
disponible que puede entregar una batería cuando se encuentra en una
condición de carga dada, por ejemplo, cuando está completamente
cargada (SOC del 100%) o a un SOC inferior al 100%. La energía
disponible en una batería es diferente de su capacidad nominal. La
capacidad de la batería es la máxima cantidad de energía que puede
almacenarse en ella y recuperarse de la misma. La energía disponible
es función del SOC de la batería. Es decir, se supone que la
capacidad de una batería es la designada como nominal por el
fabricante o el valor determinado más recientemente mediante la
prueba de descarga real como se ha descrito anteriormente. La
capacidad nominal de la batería es la misma en todos los estados de
carga. Pero una batería puede encontrarse en varios estados de carga
(SOC), de 0% a 100%. La capacidad nominal de la batería (Ah)
multiplicada por el estado de carga (SOC) determina la energía
disponible que puede entregar la batería. Así, es evidente que la
energía realmente disponible es menor al disminuir el nivel del
estado de carga.
El poder predecir la energía disponible puede ser
importante, por ejemplo, en una aplicación en una misión crítica tal
como una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS), ya que ello
determina el tiempo durante el cual la batería de alimentación puede
cumplir su función. Este tiempo se denomina, a veces, "tiempo de
funcionamiento", y es el tiempo que puede funcionar la batería en
su aplicación con una salida de intensidad dada basado en la energía
disponible hasta que se llega a descargar por completo. Se calcula
basándose en la energía disponible de la batería en su SOC en ese
momento y en la corriente de descarga de la aplicación.
Como debe resultar evidente, se necesitan
personal de mantenimiento y tiempo para probar una batería
utilizando el método cíclico de carga/descarga de la técnica
anterior, descrito en lo que antecede, para determinar la capacidad
real de la batería. Igualmente, para hacer esto, ha de retirarse una
batería de la línea para probarla, tiempo durante el cual la batería
no está disponible para la aplicación para la que ha sido designada,
tal como en una UPS.
Otro método para determinar la capacidad de una
batería ha sido desarrollado por el cesionario de esta solicitud,
como se describe en la patente norteamericana 5.049.803. Ese método
determina la capacidad real de la batería mediante una prueba activa
de una batería completamente cargada (SOC del 100%) sin tener que
descargar la batería. Esta prueba es significativamente más rápida
que el método cíclico de descarga-carga usual
descrito anteriormente y no tiene efectos perjudiciales sobre la
batería ni sobre su comportamiento. Si se conoce la capacidad real
de la batería, es decir, la energía disponible, puede calcularse el
tiempo de funcionamiento si se conoce el régimen de descarga de
corriente de la aplicación. Sin embargo, el método descrito en esta
patente está limitado a baterías en estado de carga completa, es
decir SOC del 100%.
Un método para diagnosticar el estado de una
batería de plata-zinc utilizando técnicas de rampa
para desarrollar un algoritmo, se describe en la patente
norteamericana 6.215.312, cedida también al cesionario de esta
solicitud. Sin embargo, las técnicas y el algoritmo que en ella se
enseñan se limitan a baterías que tienen mesetas de voltaje alto y
bajo, tales como las baterías de plata-zinc, y no
son aplicables para predecir la energía disponible en una batería de
plomo-ácido cuando no existe meseta alguna en condición de circuito
abierto en función de la curva de estado de carga.
En consecuencia, existe la necesidad de poder
predecir la energía disponible en una batería de plomo-ácido en un
margen de valores de SOC sin tener que ejecutar los ciclos de
carga/descarga ni tener que descargar por completo la batería. Si se
conoce la energía disponible, puede calcularse el tiempo de
funcionamiento de la batería, es decir, el tiempo que la batería
puede ser hecha funcionar satisfactoriamente en su aplicación.
El presente invento se dirige a un método de
acuerdo con la reivindicación 1, para predecir la energía disponible
de una batería de plomo-ácido con independencia de su estado de
carga (SOC), sin tener que descargar la batería y, a partir de ello,
determinar su tiempo de funcionamiento. En una realización preferida
del invento, el sistema incluye un ordenador programable que
controla la prueba.
De acuerdo con el invento, se desarrolla primero
un algoritmo de predicción en forma de ecuación, probando una
batería para adquirir datos acerca de parámetros de la batería tales
como resistencia interna (IR), temperatura de funcionamiento (T),
voltaje en circuito abierto (OCV) y respuesta al punto de gas en
respuesta tanto a una corriente de carga como a una corriente de
descarga. Los valores de estos parámetros se someten a análisis
matemático para desarrollar la ecuación del algoritmo, que tiene
diversos factores numéricos de ponderación para los parámetros. La
ecuación puede incluir, también, un valor numérico de
compensación.
Para predecir la energía disponible de una
batería que se está probando, se la prueba con el fin de adquirir
datos de los parámetros. Para obtener el valor de IR se aplica un
impulso de corriente de carga y se determina la resistencia interna
(IR) de la batería basándose en la respuesta del voltaje. El OCV y T
se miden directamente. Se aplica una corriente en rampa a la batería
y se vigila la respuesta del voltaje a la rampa determinándose a
partir de estos datos los parámetros de los puntos de gas en carga y
en descarga de la batería. Los valores de los parámetros adquiridos
de la batería se aplican a la ecuación y la solución es la energía
disponible predecida. La totalidad de la adquisición de los valores
de los datos de los parámetros y la predicción de la energía
disponible se consigue bajo el control de un ordenador y se realiza
sobre una base no invasiva, es decir, no hay necesidad de acceder a
la estructura de la batería tal como para medir el electrolito.
Asimismo, la prueba y la predicción se consiguen de forma
rápida.
La energía disponible de la batería puede
predecirse a diversos estados de carga (SOC) y no depende de si la
batería está completamente cargada. El invento se ha desarrollado y
se ha probado con éxito en baterías de plomo-ácido con capacidades
en el margen de 2Ah a 25Ah y es aplicable a baterías con varios
márgenes de capacidad.
Por tanto, un objeto del invento es proporcionar
un método para predecir la energía disponible de una batería de
plomo-ácido.
Otro objeto es proporcionar un método para
predecir la energía disponible de una batería de plomo-ácido en un
margen de valores de SOC de la batería, sin tener que descargar la
batería y sin realizar pruebas invasivas.
Todavía otro objeto es proporcionar un método
para predecir la energía disponible de un acumulador de plomo-ácido
sometiéndolo a una prueba con corriente del tipo de impulso y de
rampa y midiendo diversos parámetros.
Otro objeto del invento es proporcionar un método
para predecir la energía disponible de una batería de plomo-ácido
mediante una prueba no invasiva.
Otros objetos y ventajas del presente invento
resultarán más evidentes haciendo referencia a la siguiente
descripción y a los dibujos anejos, en los que:
la Fig. 1 es una diagrama esquemático del
circuito para llevar a la práctica el invento;
la Fig. 2 es una gráfica que muestra la respuesta
de voltaje y de intensidad de una prueba con corriente en rampa;
la Fig. 3 es una gráfica que muestra la dV/dt de
la corriente aplicada y la respuesta de voltaje de la Fig. 2; y
la Fig. 4 es una gráfica que muestra una
comparación de la capacidad que se predice de la batería y de la
capacidad real de medida.
La batería a probar se conecta a un sistema de
carga y vigilancia. El sistema puede ser una unidad autónoma o de
componentes separados. Cada versión del sistema incluye una fuente
de alimentación, un ordenador, un sistema de adquisición de datos
y/o un voltímetro. Hay muchas configuraciones que pueden formar,
efectivamente, el sistema y una configuración típica se ilustra en
la Fig. 1.
En la Fig. 1 se ilustra un ordenador A con
cualquier tipo usual adecuado de microprocesador o microcontrolador
que incluye un dispositivo de entrada de datos, por ejemplo un
teclado (no mostrado), y un dispositivo de salida, por ejemplo una
impresora y/o una pantalla (no mostrado). El ordenador A incluye un
programa de aplicación que tiene las instrucciones necesarias para
controlar la carga y la descarga de la batería y para realizar
varias mediciones, cálculos y funciones de diagnóstico, como se
describe en lo que sigue. El programa de aplicación puede estar
incorporado en una memoria de sólo lectura (ROM) o en un dispositivo
adecuado tal como una PROM, que pueda reprogramarse. El ordenador A
incluye, también, la usual memoria de tipo RAM, una unidad de
tratamiento de datos y capacidades de computación. Tiene, también,
su propio reloj interno, interconectado con el programa de
aplicación. El ordenador se muestra, también, con un módulo de
adquisición de datos (DAQ)-12 que introduce los
datos procedentes de diversas fuentes, como se describe más
adelante.
Se alimenta una corriente de carga a la batería F
que está siendo probada desde una fuente C (fuente de alimentación)
de intensidad variable, programable, cuya salida es controlable
mediante señales de voltaje analógicas en la línea 21 procedentes de
un convertidor de digital a analógico (DAC)-11
asociado con el ordenador A. Es decir, el programa de aplicación del
ordenador genera las señales para controlar la fuente de corriente.
La fuente de corriente C puede ser cualquier tipo usual que sea
controlable mediante un ordenador A para ofrecer una salida
variable. Por ejemplo, para la fuente C se puede utilizar una
Hewlett-Packard Modelo HP 6032A.
El camino de la corriente, de la fuente C a uno
de los terminales de la batería F, mostrado en este caso como el
terminal positivo, pasa por un relé D que, también, se encuentra
bajo el control del ordenador A, como se describe en lo que sigue.
El circuito que alimenta corriente a la batería incluye, también, un
diodo protector G en serie entre la salida común de la fuente de
corriente C y el terminal negativo de la batería para proteger a la
fuente C de cualquier corriente inversa procedente de la batería. Si
se desea, pueden utilizarse conexiones de polaridad contraria.
El carácter de referencia B indica una unidad de
sistema de acondicionamiento de señal, tal como una National
Instrument, que tiene una parte de entrada de datos y una parte de
control y conectada al ordenador A para comunicación bidireccional.
La unidad B incluye un módulo 15 de control de relé para
proporcionar señales originarias del ordenador en la línea 77 para
controlar la apertura y el cierre del contacto del relé D. La unidad
B incluye, también, un voltímetro 16 cuyos conductores de entrada 14
están conectados a través de los terminales positivo y negativo de
la batería para medir su voltaje en condiciones de carga, descarga y
en circuito abierto (ni carga ni descarga). La unidad B también
recibe datos de temperatura por la línea 13 procedentes de un
termopar 12 situado en cualquier lugar adecuado, tal como en el caso
de la batería F.
Se mide la intensidad en el circuito de
carga/descarga de la batería bajo el control de la unidad B midiendo
el voltaje a través de un shunt E. Puede utilizarse cualquier otra
técnica adecuada para medir la intensidad, por ejemplo, un
dispositivo de efecto Hall. El voltaje, la intensidad y la
temperatura medidas, siendo cada una de ellas una cantidad
analógica, se convierten a forma digital mediante un módulo
convertidor analógico-digital (ADC) 29 en la unidad
B y los datos digitales de estos parámetros son suministrados al
ordenador A.
La unidad B incluye, así, un convertidor de
digital a analógico (DAC) 11 para generar señales analógicas de
control a partir de las señales digitales alimentadas por el
ordenador A, dirigido por su programa de aplicación. El convertidor
de digital a analógico de la parte de control de la unidad B
responde a señales de salida digitales procedentes del ordenador A
para generar la señal analógica en la línea 21 para controlar la
salida de la fuente de corriente C. Como se describe en lo que
sigue, la fuente C es hecha funcionar para producir una salida de
corriente de un impulso y una circulación del tipo de rampa variable
que aumente y disminuya entre dos valores.
La unidad B controla el relé D aplicando una
señal de control de cierre de contactos por la línea 17 para
conectar y desconectar la batería con respecto al circuito de carga.
Durante la carga y el análisis de la batería F, el relé D está
cerrado. Cuando se abre el relé D, la batería F es retirada del
circuito, es decir, no puede aplicarse carga. En este momento, puede
medirse el voltaje de la batería en circuito abierto.
El método y el sistema para llevar a cabo el
diagnóstico de la batería están bajo el control del programa de
aplicación del ordenador A con el fin de realizar automáticamente la
totalidad de la prueba de diagnóstico de una batería F mediante el
uso del ordenador A y partes de control de salida y de adquisición
de datos de la unidad B. El ordenador controla toda la carga y la
prueba de diagnóstico de la batería. El funcionamiento del sistema y
el método de análisis se describen en lo que sigue.
Al utilizar el invento, la primera operación
consiste en desarrollar un algoritmo en forma de ecuación, cuya
solución es la energía disponible en una batería. Una vez hecho
esto, la segunda operación consiste en adquirir datos de diversos
valores de parámetros de una batería que está probándose y en
aplicar estos valores a la ecuación. Ambas operaciones aprovechan un
análisis común, como se describe en lo que sigue.
Antes de comenzar el análisis en cualquier
operación, se establecen límites seguros de intensidad y de voltaje
a partir de las características conocidas de la batería.
Típicamente, el fabricante de las baterías proporciona esta
información. Es decir, se ajustan el voltaje de la batería y la
intensidad alimentada, de preferencia en forma segura contra fallos,
de modo que no se superen los límites de voltaje y de
intensidad.
El ciclo de análisis comprende dos etapas
separadas. Se describe con respecto al desarrollo del algoritmo,
pero también se utiliza para adquirir valores de datos para una
batería que está siendo probada.
Etapa
1
Durante esta etapa, dirigida por el ordenador A,
se aplica a la batería F una corriente de carga por impulsos o por
pasos a partir de la fuente de alimentación C y se mide el voltaje
de respuesta de la batería con el voltímetro 14. El voltaje medido
se convierte a forma digital y se guardan los datos en la memoria
del ordenador. Se mide también la intensidad midiendo el voltaje a
través del shunt E, y estos datos también se guardan. El voltímetro
puede estar multiplexado para medir voltaje e intensidad
alternativamente.
El impulso de corriente aplicado a la batería
desde la fuente C se inicia con 0 amperios y aumenta, de preferencia
en la forma más rápida de que sea capaz la fuente de alimentación,
hasta un valor predeterminado, por ejemplo, 1,5 amperios. La
intensidad de mantiene a esa amplitud durante un tiempo
predeterminado, por ejemplo 2 segundos, después de lo cual es
devuelta de manera sustancialmente instantánea a 0 amperios. El
voltaje y la intensidad se miden continuamente durante la aplicación
del impulso, y este dato se guarda en la memoria del ordenador.
Empleando los datos de los parámetros de voltaje
(V) y de intensidad (I) medidos, almacenados, el ordenador calcula
la resistencia interna (IR) de la batería. La IR se define como el
cociente dV/dI durante la parte ascendente del impulso de corriente.
El ordenador A calcula dV/dI utilizando los datos de medición
adquiridos. Por ejemplo, este puede ser el valor del voltaje y de la
intensidad al comienzo, valor de 0 amperios, y al final, valor de
1,5 amperios del impulso de corriente. El parámetro del valor
calculado para la resistencia interna se almacena hasta que se
necesite en la Etapa 2.
Etapa
2
Antes de la aplicación de esta etapa, se miden el
voltaje de la batería en circuito abierto (OCV) y la temperatura (T)
y se guardan estos datos. Los programas de aplicación del ordenador
A abren el relé D para permitir la medición del OCV con el
voltímetro 14. La temperatura T se obtiene a partir del termopar 22.
Estas dos mediciones proporcionan datos analógicos que se convierten
a forma digital mediante el DAC 11.
Durante esta etapa de la prueba, dirigida por el
ordenador, se le aplica a la batería, a partir de la fuente C, una
corriente de carga linealmente creciente, se mide el voltaje de
respuesta de la batería y el dato se guarda en la memoria del
ordenador. La corriente comienza con 0 amperios y crece linealmente
hasta que la corriente en rampa llega a un valor de intensidad
predeterminado, por ejemplo 5 amperios, o hasta que el voltaje de la
batería alcanza un límite prefijado, por ejemplo 2,5V multiplicado
por el número de celdas conectadas en serie en la batería.
El régimen de incremento de la intensidad de la
corriente se elige basándose en el tiempo de prueba deseado, la
precisión deseada, la resolución y la capacidad nominal de la
batería. Por ejemplo, se ha encontrado que una pendiente de 0,033
amperios/s es un valor razonable para baterías de plomo-ácido con
una capacidad nominal de hasta 25 Ah. Si bien se prefiere que la
corriente aumente de forma lineal, el incremento no tiene por qué
ser lineal, en tanto la corriente crezca de manera monótona.
Después de haberse alcanzado el punto de
intensidad máxima de la rampa positiva, se hace entonces que la
corriente disminuya siguiendo la misma pendiente, pero ahora con
valor negativo, hasta llegar a los 0 amperios. Se mide continuamente
el voltaje de la batería y el dato digital se guarda en la memoria
del ordenador a lo largo de toda la prueba.
La Fig. 2 representa un ciclo típico de prueba
con corriente en rampa y la respuesta del voltaje. Como se ve en la
Fig. 2, la corriente I (línea 35) es aplicada en forma de rampa que,
primero aumenta y, luego, disminuye. El tiempo se muestra en el eje
horizontal de la gráfica y el valor de la intensidad en el eje
vertical. El voltaje V medido en los terminales de la batería en
respuesta a esta forma de onda de la corriente se muestra mediante
la línea de datos 36 y el valor del voltaje en el eje vertical de la
derecha.
La pendiente de la curva de respuesta de voltaje
(dV/dt) es calculada por el ordenador A a partir de los datos de
voltaje medidos en respuesta a las rampas de corriente positiva y
negativa aplicadas. La Fig. 3 indica la pendiente del voltaje
calculada para la respuesta de voltaje de la Fig. 2. La Fig. 3
muestra, también, la curva de voltaje (línea 38). El valor de la
pendiente (línea 39) es generado por el ordenador que calcula
continuamente dV/dt en tanto duran las rampas de corriente. El valor
del voltaje se representa en el eje vertical izquierdo de la gráfica
y el valor de la pendiente en el eje vertical de la derecha. La
determinación de la pendiente de la curva de voltaje (dV/dt) la
consigue el ordenador calculando, a partir de los datos que
almacena, la diferencia entre valores de voltaje sucesivos en un
pequeño intervalo de tiempo. El número de cálculos realizados se
selecciona según las necesidades. Un mayor número de cálculos
aumenta la resolución (precisión) pero, también, exige aumentar la
capacidad de la memoria y la velocidad de proceso del ordenador.
Cuando la pendiente pasa por un máximo, indica la
transición de la batería, que pasa de una reacción de carga a una
reacción de sobrecarga en la corriente aplicada en rampa ascendente
y de una reacción de sobrecarga a una reacción de carga en la
corriente aplicada en rampa descendente. En las baterías que
contienen agua, tales como las del tipo de plomo-ácido, la reacción
de sobrecarga es un desprendimiento de gases hidrógeno y oxígeno. El
ordenador A determina los puntos con máximo valor de la pendiente.
Los valores de intensidad y de voltaje a los que ocurre esto se
denominan en lo que sigue, respectivamente, intensidad de gas
(I_{gas}), y voltaje de gas (V_{gas}).
Una respuesta típica de una batería a este ciclo
de prueba, proporciona un dV/dt máximo en ambas partes, creciente y
decreciente, de las rampas de corriente aplicadas. Los valores de
intensidad y de voltaje correspondientes al punto de transición en
la parte creciente de la rampa se designan con I_{subida} y
V_{subida}, mientras que los valores correspondientes en la parte
decreciente de la rampa se designan con I_{bajada} y V_{bajada}.
Se calculan los valores de los parámetros de intensidad y de voltaje
a los que se producen los puntos de gas y, luego, se guardan en el
ordenador.
Los datos calculados para la pendiente se
someten, de preferencia, a un procedimiento de promediado. En una
realización preferida, se ha encontrado que una técnica de
promediado de siete puntos elimina, en medida suficiente, el ruido
generado por la circuitería electrónica. La utilización de menos
puntos para obtener el promedio puede dar, como consecuencia, una
supresión insuficiente del ruido, mientras que la inclusión de más
puntos puede suprimir la definición de los datos dV/dt.
Se ha encontrado que cada uno de los parámetros
medidos, anteriormente descritos, OCV y T, y los parámetros
I_{subida}, V_{subida}, I_{bajada}, V_{bajada} e IR
calculados reflejan proporcionalmente el valor de la energía
disponible de la batería. Se ha encontrado que la combinación de
cada uno de estos siete parámetros utilizados en un algoritmo
(ecuación) que incluya una ponderación apropiada de sus términos, se
correlaciona con exactitud con una predicción de la energía
disponible de la batería. Los valores numéricos de los siete
parámetros obtenidos para una batería, como se ha descrito
anteriormente, se utilizan como entradas para desarrollar un
algoritmo de predicción de energía.
Para desarrollar el algoritmo, varias baterías
son sometidas a los ciclos que se incluyen en las pruebas descritas
en lo que antecede, con el fin de adquirir datos de cada uno de los
siete parámetros. Solamente puede desarrollarse un algoritmo para un
tamaño de baterías, por ejemplo, con una capacidad nominal de 5Ah, o
para una gama más amplia, por ejemplo de 5Ah a 20Ah. En este último
caso, se llevan a cabo conjuntos de pruebas sobre baterías de
distinto tamaño, dentro del margen, por ejemplo de 5Ah, 10Ah y 20Ah.
Los puntos de datos adquiridos para cada una de las baterías
probadas se representan gráficamente. No se promedian los resultados
de las diferentes pruebas. Se descartan los datos que parezcan
aberrantes. El algoritmo se determina a partir de estos datos
utilizando, por ejemplo, un algoritmo de estimación lineal tal como
el que se encuentra en el programa Excel del software de Microsoft.
Pueden utilizarse otras técnicas similares.
El algoritmo proporciona una ecuación de tipo
lineal cuya forma general se representa en la ecuación (1).
Ecuación
1\text{Energía disponible} = OCV*(a) + T* - (b) + IR*
- (c) + I_{subida}*(d) + V_{subida}* - (e) + I_{bajada}* -
(f) + V_{bajada}*(g) -
(h)
donde (a), (b), (c), (d), (e), (f),
(g) y (h) son, respectivamente, valores
numéricos.
Como se ve, como parte del algoritmo, cada uno de
los parámetros tiene un valor numérico de ponderación y hay un valor
de compensación constante. Estas ponderaciones caracterizan
linealmente la correlación entre los siete parámetros para predecir
la energía disponible.
La Tabla 1 representa las ponderaciones
resultantes de los siete parámetros de entrada y una compensación
para la ecuación para un tamaño y un tipo de batería. En este
documento, el término tamaño se refiere al margen de 2 a 25Ah y el
tipo se refiere a la estructura de la batería (es decir, la
construcción de placas, electrolito, gel, etc.).
\newpage
| Parámetro | Peso |
| OCV | 1,872 |
| Temperatura (T) | -0,184 |
| IR | -0,062 |
| I_{subida} | 1,415 |
| V_{subida} | -0,485 |
| I_{bajada} | -1,632 |
| V_{bajada} | 0,55 |
| Compensación | -36,13 |
Para esta gama de baterías, la siguiente ecuación
de predicción acerca de la energía disponible es el resultado de las
ponderaciones anteriores:
Ecuación
2\text{Energía disponible} = (OCV)*1,872 + T*-0,184 +
IR*-0,062 + I_{subida}* 1,415 + V_{subida}-0,485 +
I_{bajada}*-1,632 + V_{bajada}*0,5498
-36,13
Para predecir la energía disponible de una
batería que se está probando y cuya capacidad nominal real se
encuentra en el margen para el que se desarrolló el algoritmo, se
determinan los valores numéricos de los siete parámetros para la
batería en la forma que se ha descrito en lo que antecede para las
pruebas en la Etapa 1 y en la Etapa 2. Estos valores se introducen
entonces en la ecuación (2) para predecir la energía disponible de
la batería. La solución de la ecuación (2) es calculada
automáticamente por el ordenador basándose en los valores de los
siete parámetros que adquiere y guarda en la memoria del ordenador.
La predicción calculada para la energía disponible puede presentarse
en términos de Ah o en un dispositivo de presentación adecuado,
activado por el ordenador A. También puede presentarse el régimen de
descarga.
Se ha comprobado la exactitud de la ecuación de
predicción. La Fig. 4 es una gráfica de la solución de la ecuación
(2), en la que la energía disponible predecida o calculada se ha
representado en función de la cantidad real de energía (capacidad
real) medida a través de una prueba de descarga real para varias
pruebas de muestra, por ejemplo, trece. La línea vertical izquierda
designa la capacidad real medida para la batería. Se confirmó la
energía disponible real mediante una descarga de corriente constante
a un régimen de 2C (doble de la capacidad nominal de la batería).
Los resultados de la capacidad en descarga son, por tanto,
inferiores a los nominales. Los puntos de datos (trazas) son el
resultado de predecir, para cada prueba, la energía disponible
basándose en la determinación de los valores numéricos de los siete
parámetros y en la aplicación de la ecuación (1). Los puntos de
datos resultantes se representan en función de la capacidad real
medida por la prueba de descarga. Los errores resultantes
(desviación respecto de la línea interrumpida) en función de los
reales dan una media inferior a un error del 4%. Esto confirma la
exactitud del método de predicción.
La estimación lineal representada por la ecuación
(2) se optimiza para la gama de capacidades nominales de la batería
de 2-25Ah. La precisión podría no ser tan grande
para el caso de baterías con mayor capacidad nominal. Puede
desarrollarse una ecuación general que implique uno o más de los
parámetros anteriores experimentando con baterías de todos los
tamaños y condiciones en el margen global deseado y seleccionando el
algoritmo que ofrezca la mayor exactitud en la predicción en este
margen.
Si bien puede desarrollarse un algoritmo para
adaptarse a una gran gama de tamaños de baterías, este algoritmo
único no será tan preciso como varios algoritmos más afinados. Es
decir, para conseguir la mejor precisión en el caso de baterías de
varios márgenes diferentes de capacidad nominal, en general es
aconsejable una ecuación separada que incluya los siete parámetros.
Por ejemplo, puede haber una ecuación para baterías de la gama de
2-25Ah, otra para baterías de
25-50Ah una tercera para la gama de
50-100Ah, etc. Utilizando el procedimiento descrito
en lo que antecede, puede desarrollarse un algoritmo para cada gama
de capacidades diferente.
Es posible que la prueba con corriente en rampa
se realice empleando diferentes parámetros de prueba, por ejemplo,
de la pendiente de la rampa. Sin embargo, es importante observar que
para la prueba debe generarse y utilizarse una curva de calibración
diferente, tal como la correspondiente a la ecuación (1), específica
para esa pendiente. Los parámetros sólo pueden cambiarse en cierta
medida. Además, debido a la falta de linealidad de la respuesta de
la prueba en rampa, los cambios de los parámetros no tendrán efectos
proporcionales sobre los cambios de la respuesta de la prueba ni
sobre los resultados de la curva de calibración. Básicamente, no se
esperan efectos lineales al cambiar los parámetros. Por ejemplo, si
los límites de voltaje se incrementan en un 10%, ello no hace que
cada parámetro se ajuste en un cierto factor de ese valor. El peso
del OCV puede cambiar un 5% mientras que el de I_{subida} puede
cambiar un 10% y así sucesivamente. También, el duplicar la
corriente de impulsos no hará que el voltaje se incremente al doble.
Las reacciones de la batería no son lineales.
Es posible, también, realizar la prueba de
impulsos empleando parámetros de prueba diferentes, por ejemplo,
amplitud del impulso, duración del impulso. Igualmente, podrían
utilizarse también unos medios independientes para medir la
resistencia interna, en lugar de la prueba de impulsos anteriormente
descrita. Sin embargo, como antes, habría de generarse una curva de
calibración diferente para tener en cuenta los distintos medios de
calcular la resistencia interna de la batería. En este caso, los
cambios serían mínimos y probablemente sólo afectarían al peso de
IR, aunque todavía habría cambios.
La predicción de la energía disponible de la
batería como se ha descrito en lo que antecede no es un valor
independiente, sino que se desarrolla dependiendo del régimen de
descarga. Esto quiere decir que un menor régimen de descarga permite
una disponibilidad superior de energía. El algoritmo de la ecuación
(2) antes descrita, por ejemplo, se ha desarrollado basándose en un
régimen de descarga 2C, doble de la capacidad nominal. Para baterías
que se descarguen a 2C amperios, la ecuación es francamente
precisa.
Para satisfacer las necesidades que exige la
predicción de la energía disponible a distintos regímenes de
descarga, el valor de la energía disponible puede ajustarse
basándose en el régimen de descarga. Para hacer esto, se construye
una tabla de energía disponible en función de la corriente de
descarga. Los valores se obtienen siguiendo uno de dos
procedimientos: (1) leer puntos de datos a partir de la hoja de
especificaciones del fabricante de la batería, o (2) hacer trabajar
una batería cíclicamente con un SOC del 100% al 0% repetidamente,
pero a regímenes de descarga diferentes (por ejemplo, C/10, C/5,
C/3, C/2, C, 2C, 3C, etc.). Cuando más amplia sea la variedad de
regímenes mejor será. Estos valores se ponen en la tabla en función
de la capacidad de descarga real conseguida en cada ciclo.
El procedimiento anterior se repite,
preferiblemente, con varias baterías para confirmar la relación. Sin
embargo, es importante observar los datos en cada batería, ya que el
principal objetivo del ejercicio es ver como afectan los cambios en
los regímenes de descarga a cualquier batería dada. Una vez que se
construye una tabla relacional a partir de cualquiera de los dos
métodos anteriores, se genera una curva de regresión logarítmica
para aproximar la relación entre régimen de descarga y régimen de
descarga. La estimación logarítmica se utiliza porque el
comportamiento es, inherentemente, logarítmico. Un algoritmo que
representa el comportamiento de la batería y que compara la
capacidad de descarga con la corriente de descarga, es:
Ecuación 3Nuevo
AE = Antiguo AE - 1,8 log(nuevo rég. des./antiguo rég.
des.)
donde:
- Antiguo = el nivel al que se desarrolló el algoritmo (régimen de descarga de 2C);
- Nuevo = el nuevo nivel activo que se está determinando;
- AE = energía disponible;
- rég. des. = régimen de descarga
Todos los cálculos anteriores pueden ser
ejecutados por el ordenador A y puede ofrecerse la presentación
apropiada de los resultados con toda la información necesaria.
El valor predecido calculado de la energía
disponible en la batería puede visualizarse, también, en un
dispositivo de presentación en forma de "tiempo de
funcionamiento", en el que el tiempo de funcionamiento que le
queda a la batería se presente como información en horas/minutos en
lugar del formato de Ah en que se presenta la energía disponible.
Una vez que la capacidad de descarga se ha ajustado para satisfacer
el nuevo estado de régimen de descarga, por ejemplo utilizando la
ecuación (3), la segundo operación consiste en convertir la forma de
Ah en una forma de tiempo de funcionamiento. Esto se hace dividiendo
la energía disponible predecida por la corriente de descarga y
convirtiendo el resultado en la escala de tiempo deseada (segundos,
minutos, horas). Una ecuación para esto es:
Ecuación
4Tiempo de funcionamiento = Energía disponible/régimen
de descarga * unidad de
tiempo
Si al realizar el cálculo del tiempo de
funcionamiento, el régimen de descarga es diferente del que se
desarrolló en la ecuación de predicción, debe aplicarse el factor de
ajuste, por ejemplo utilizando la ecuación (3). Para mantener una
precisión continua, se hace que el tiempo de funcionamiento
reaccione a cambios de la corriente de descarga. Por tanto, la
técnica de dos operaciones consistente en un primer ajuste a un
régimen de descarga diferente utilizando la ecuación (3) y, luego,
utilizando la ecuación (4) de tiempo de funcionamiento, debe
repetirse constantemente para ajustar la energía disponible
restante. Para hacer esto, se vigila constantemente la corriente de
descarga dentro de un bucle infinito: la acción final de cada ciclo
del bucle (una vez medida la intensidad) es útil para ajustar el
tiempo de funcionamiento restante para satisfacer el nuevo gasto de
corriente. Todo esto lo realiza el ordenador A cuando se actualizan
los datos adquiridos.
En el caso de una situación de no descarga, tal
como una UPS, la carga de la UPS se utiliza como estimación de la
corriente de descarga, y el procedimiento anterior utiliza una
conversión estimada de la carga de la UPS para determinar el tiempo
de funcionamiento. Esto quiere decir que la energía disponible
predecida inicial debe reducirse merced a técnicas de vigilancia,
tales como un recuento de culombios. El recuento de culombios se
consigue midiendo la corriente media de entrada (carga) o de salida
(descarga) de la batería durante un ciclo en bucle, multiplicada por
el período del ciclo. La energía disponible restante recalculada es
sometida al procedimiento de dos operaciones anteriormente descrito
para reajustar la energía disponible restante para la corriente de
descarga y, luego, se convierte el valor de la energía disponible a
una forma de tiempo restante.
Lo que sigue es un ejemplo del uso del invento
para una batería recargable de plomo-ácido de 24V y 18Ah, formada
por 4 celdas Panasonic LC-R129P1 conectadas en una
configuración de paralelo en serie. La batería se retiró de un
sistema de UPS y se conectó al equipo de prueba de baterías. Se
sometió la batería a un impulso de carga de 1,5A. Se determinó que
la resistencia interna tenía un valor de 65,4
mili-ohmios. Luego, se sometió la batería a la
prueba de corriente en rampa. Se midieron 25,21V como voltaje de la
batería en circuito abierto. Se detectaron dos puntos de gas, uno en
la mitad ascendente de la rampa y otro en la mitad descendente de la
misma. El punto de gas en subida ocurrió a 1,9A, 29,01V. El punto de
gas en bajada ocurrió a 0,99A, 27,63V. Se midieron 24,38ºC como
temperatura de la caja de la batería.
Utilizando estos valores en la fórmula (2), dada
anteriormente, para la determinación de la energía disponible, se
predijo una energía disponible de:
\text{Energía
disponible} = 25,21*1,872 + 24,38*(-0,184) + 65,4*(-0,062) +
1,9*1,415 + 29,01*(-0,485) + 0,99*1,632 + 27,63*0,5498 -
36,13
Esto da un valor de 4,69Ah para un régimen de 2C.
El resultado de la energía disponible predecida se confirmó
realizando una descarga completa de la batería, llevada a cabo a un
régimen de 2C.
La energía disponible para la batería se
convirtió en tiempo de funcionamiento:
Tiempo de
funcionamiento = Energía disponible/Corriente*60 = 7,23
minutos
Para confirmar esto, se conectó la batería a un
sistema de UPS empleando una potencia de servicio.
Subsiguientemente, se eliminó la potencia de servicio. Con una carga
del 75% aplicada a la batería, se dejó funcionando el sistema hasta
que la unidad se desconectó por sí misma en el instante en que se
alcanzó la descarga total de la batería para la corriente de
descarga apropiada. La desconexión se produjo a los 7,25 minutos.
Este valor supuso un error de 2 segundos, lo que confirmó la validez
de la ecuación para obtener la energía disponible.
Claims (8)
1. Un método de predecir la energía disponible de
una batería de plomo-ácido mediante una prueba independiente del
estado de carga de la batería, comprendiendo dicho método las
operaciones de:
determinar la resistencia interna (IR) de la
batería que se prueba;
medir el voltaje en circuito abierto (OCV) y la
temperatura (T) de la batería que se prueba;
calcular los puntos de voltaje y de intensidad
(V_{gas} e I_{gas}) a los que la batería realiza una transición
desde un estado de carga a uno de sobrecarga o de un estado de
sobrecarga a uno de carga en respuesta a, por lo menos, una de entre
las condiciones de carga y de descarga, cuya operación de calcular
V_{gas} e I_{gas} comprende:
aplicar a la batería una corriente en rampa (I)
en cada una de las direcciones positiva y negativa,
vigilar la respuesta de voltaje (V) a la
intensidad (I) aplicada, y
determinar los puntos máximos de la
pendiente;
desarrollar un algoritmo de predicción de la
energía disponible en función de los parámetros de la batería; y
aplicar los valores adquiridos de los parámetros
de la batería que se prueba al algoritmo para predecir la energía
disponible en la batería que se prueba, caracterizado
porque
los puntos máximos de V_{gas} e I_{gas} de la
pendiente en la rampa de corriente positiva son V_{subida} e
I_{subida} en la transición de carga a descarga y, en la rampa
negativa son V_{bajada} e I_{bajada} en la transición de
sobrecarga a carga;
la operación de desarrollar el algoritmo
comprende utilizar los parámetros OCV, T, IR, V_{subida} e
I_{subida} y V_{bajada} e I_{bajada} de la batería,
y la operación de aplicar los valores adquiridos
de los parámetros de la batería comprende aplicar los valores de los
parámetros OCV, T, IR, V_{subida} e I_{subida} y V_{bajada} e
I_{bajada} de la batería que se prueba al algoritmo para predecir
la energía disponible en la batería que se prueba.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la
operación de desarrollar el algoritmo comprende, además, el paso de
desarrollar factores de ponderación para cada uno de los parámetros
OCV, T, IR, V_{subida} e I_{subida} y V_{bajada} e
I_{bajada}.
3. El método de la reivindicación 2, en el que la
operación de desarrollar factores de ponderación numéricos comprende
someter los datos de OCV, T, IR, V_{subida} e I_{subida} y
V_{bajada} e I_{bajada} a un análisis para obtener una ecuación
lineal con un valor numérico como factor de ponderación asociado con
cada uno de los parámetros.
4. El método de la reivindicación 3, en el que el
análisis comprende una regresión lineal y el algoritmo obtenido
incluye, también, un valor numérico de compensación.
5. El método de la reivindicación 4, en el que la
ecuación del algoritmo es de la forma:
\text{Energía
disponible} = OCV*(a)+T*-(b)+IR*-(c)+
I_{subida}*(d)+V_{subida}*-(e)+
I_{bajada}*-(f)+V_{bajada}*(g)-(h)
donde cada uno de (a), (b), (c),
(d), (e), (f), (g) y (h) es un valor
numérico.
6. El método de la reivindicación 5, en el que el
algoritmo es:
\text{Energía
disponible} =
(OCV)*1,872+T*-0,184+IR*-0,062+I_{subida}*1,415+V_{subida}-
0,485+I_{bajada}*-1,632 +V_{bajada}*0,5498
-36,13.
7. El método de la reivindicación 3, que
comprende además la operación de determinar el tiempo de
funcionamiento hasta su descarga de una batería que se prueba,
basándose en la energía disponible predecida de acuerdo con la
ecuación
Tiempo de
funcionamiento = Energía disponible/ régimen de descarga * unidad de
tiempo.
8. El método de la reivindicación 7, que
comprende además repetir las operaciones de determinar el tiempo de
funcionamiento durante un período de tiempo en el que se está
drenando corriente de la batería, restando la corriente drenada de
la batería entre sucesivas determinaciones del tiempo de
funcionamiento y utilizar el resultado de la resta para volver a
calcular la energía disponible para la última determinación del
tiempo de funcionamiento.
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