ES2246935T3 - Bateria de plomo-acido regulada por valvula. - Google Patents
Bateria de plomo-acido regulada por valvula.Info
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Abstract
Una pila de batería de plomo-ácido regulada por válvula de placas en espiral de lengüetas múltiples, incluyendo: un conjunto en espiral que tiene una placa negativa y otra positiva y medios separadores intercalados entre las placas; teniendo cada placa bordes en espiral opuestos formados con una pluralidad de grupos de lengüetas que están sustancialmente separadas en un borde en espiral dado de manera que cada grupo de lengüetas sirva al flujo de entrada o salida de corriente de una proporción geométrica de la placa muy aproximadamente proporcional al número de grupos de lengüetas para la placa, donde el grupo de lengüetas están esparcidas y el conjunto en espiral está dispuesto de forma cooperante de tal manera que los grupos de lengüetas de la placa negativa y los bordes en espiral opuestos y los grupos de lengüetas de la placa positiva y los bordes en espiral opuestos presenten una primera, segunda, tercera y cuarta alineación respectivamente de grupos de lengüetas; al menos una primera,segunda, tercera y cuarta barra bus acoplada eléctricamente a las alineaciones primera, segunda, tercera y cuarta de grupos de lengüetas respectivamente; y al menos un primer, segundo, tercer y cuarto terminal conectados para servir eléctricamente a al menos una primera, segunda, tercera y cuarta barra bus, respectivamente, por lo que dicha pila es servida por al menos múltiples pares de terminales positivo y negativo.
Description
Batería de plomo-ácido regulada por válvula.
La presente invención se refiere a baterías de
plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA) que son adecuadas para ser
utilizadas en vehículos eléctricos híbridos (HEVs) y vehículos
eléctricos (EVs).
Las emisiones de escape de los vehículos de
transporte son una causa principal de la acumulación de gas
invernadero y la contaminación urbana. La preocupación por estos
problemas ha dado lugar a la introducción de nuevas leyes
anticontaminación que restringen considerablemente las emisiones de
escape de los motores de combustión interna. Algunos países han
sido más severos en su acercamiento y han legislado que un cierto
número de vehículos vendidos debe tener emisiones bajas o nulas.
Tales vehículos incluyen los vehículos eléctricos (EVs) y los
vehículos eléctricos híbridos (HEVs). El éxito de esta iniciativa
se basa en el desarrollo de vehículos que tienen un rendimiento y
características de duración-costo apropiados.
Los paquetes de baterías HEV se someten a
múltiples ciclos de carga-descarga bajo un estado
de carga plena (SoC). Dicho trabajo puede producir una acumulación
localizada irreversible de sulfato de plomo. Esto deteriora el
rendimiento de la batería. También pueden producirse acumulaciones
similares, junto con las altas temperaturas asociadas y los
gradientes de temperatura no uniformes, dentro de baterías EV que se
someten a condiciones de recarga y descarga rápidas.
La memoria descriptiva de la Patente de Estados
Unidos número 4.760.001 describe una batería incluyendo placas
negativas hechas de cobre expandido recubierto con plomo que tienen
lengüetas formadas por una tira de cobre que se extiende a través de
la placa. En una forma de la batería, la tira de cobre se extiende
más allá de los bordes expuestos de la placa negativa para formar
orejetas o lengüetas en lados opuestos de la placa. Esto da lugar a
una posición subóptima de las lengüetas con respecto a drenaje de
corriente y calor. Además, las placas de cobre expandido
recubiertas con plomo son considerablemente más caras de hacer que
las placas de plomo expandido. Además, tales baterías no serían
adecuadas para uso HEV o EV a causa de su alto costo y peso
adicional.
La memoria descriptiva de la Patente de Estados
Unidos número 4.983.475 describe un diseño de batería en el que cada
placa tiene lengüetas dobles en lados opuestos y cada lengüeta está
conectada a una barra bus negativa o positiva correspondiente. Cada
una de las barras bus está conectada a su vez por tiras dispuestas
en diagonal. La finalidad de las lengüetas dobles y tiras es
mejorar las características eléctricas de la batería. Sin embargo,
las baterías descritas en la memoria descriptiva no serían adecuadas
para uso HEV y EV porque son baterías de solamente 2 voltios y las
tiras aumentan el peso innecesario. Además, las tiras ocupan un
espacio valioso.
La memoria descriptiva de la Patente de Estados
Unidos número 4.603.093 describe pilas de batería que tienen dos o
más lengüetas por placa. La finalidad de las múltiples lengüetas es
mejorar la densidad de energía y la densidad de potencia. Este
diseño permite el uso de placas menos profundas más largas que las
contempladas previamente. Sin embargo, las múltiples lengüetas
están situadas en un lado de la placa.
La memoria descriptiva de WO 99/40.638 describe
pilas que tienen placas de la geometría opuesta como la descrita en
la memoria descriptiva de la Patente de Estados Unidos número
4.603.093. En otros términos, las placas son estrechas y profundas.
Para mejorar la disponibilidad de corriente de pilas conteniendo
placas de este diseño, se colocan lengüetas sobre lados opuestos de
la placa y se transfiere corriente de un extremo al otro por medio
de una tira de cobre chapada con plomo. Esta mejora la
disponibilidad de corriente porque el cobre es mejor conductor que
el plomo. Aunque este diseño incluye lengüetas en lados opuestos de
la placa, no contempla terminales en lados opuestos de la batería.
En consecuencia, todavía hay que transferir corriente de un lado de
la placa al otro para conectar con el terminal relevante. Además,
la tira aumenta el peso de la batería.
US-A-4 760 001
describe un electrodo negativo incluyendo un conjunto en capas de
placas negativas y positivas dispuestas en una carcasa, donde las
placas electrodo incluyen orejetas de conexión, que a su vez están
conectadas eléctricamente a un conector que conduce a los
terminales de conexión de la carcasa.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una batería de plomo-ácido con mejor operabilidad.
Este objeto se logra con la batería de plomo-ácido que tiene las
características de la reivindicación 1. Una realización preferida es
la materia de la reivindicación secundaria dependiente.
Un ejemplo no cubierto por las reivindicaciones
proporciona una pila de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA)
incluyendo una placa positiva y otra negativa separadas por un
separador y mantenidas juntas a presión. Preferiblemente, la presión
aplicada a la pila está en el rango de 20 a 100 kPa. El separador
soporta un electrolito. Cada placa tiene una primera o una
pluralidad de lengüetas en un primer lado de la placa, y una
segunda o una pluralidad de lengüetas en un segundo lado de la
placa. Cada lengüeta está conectada a una barra bus para formar
barras bus positiva y negativa en cada uno de los lados primero y
segundo de la placa.
La pila puede ser una pila enrollada en espiral,
o una pila prismática. Las pilas enrolladas en espiral pueden ser
pilas de 2V, o fabricarse para producir monobloques con un voltaje
total de 4 y más. Las pilas enrolladas en espiral tienen tomas de
corriente en la parte superior e inferior de ambas placas negativa y
positiva (denominadas hasta ahora baterías enrolladas en espiral
con tomas bidireccionales de corriente). La pila prismática incluye
preferiblemente una pluralidad de tales placas positivas y negativas
separadas por separadores. Múltiples pilas pueden estar conectadas
en serie.
Otro ejemplo no cubierto por las reivindicaciones
proporciona una batería VRLA incluyendo una pluralidad de pilas
unidas en serie, donde cada pila incluye una o más placas positivas
y negativas separadas por uno o varios separadores y mantenidas
juntas a presión. Preferiblemente, la presión aplicada a la pila
está en el rango de 20 a 100 kPa. El separador soporta un
electrolito. Cada placa tiene una primera o una pluralidad de
lengüetas en un primer lado de la placa, y una segunda o una
pluralidad de lengüetas en un segundo lado de la placa. Cada
lengüeta está conectada a una barra bus para formar barras bus
positiva y negativa en cada uno de los lados primero y segundo de la
placa. Cada pila se puede conectar a una pila contigua por juntas
soldadas entre barras bus positiva y negativa alternas. Estas
soldaduras son preferiblemente, pero no exclusivamente, a través de
la pared de la caja de pila o sobre la parte superior de la pared
celular. Cada pila puede estar sellada independientemente al aire.
Alternativamente, todas las pilas en la batería pueden tener un
espacio superior común. Múltiples baterías pueden estar conectadas
en serie.
El separador utilizado en la invención se puede
hacer de microfibra de vidrio de absorción, o puede ser compatible
con el uso de electrolito gelificado. Alternativamente, cualquier
material separador que pueda resistir niveles de compresión
razonables (por ejemplo, presión superior a 20 kPa) es
adecuado.
En otro aspecto, la invención proporciona un
vehículo eléctrico o eléctrico híbrido (por ejemplo, EV o HEV) que
incluye una o más baterías.
La invención proporciona varias ventajas. Las
baterías VRLA de la invención son de peso ligero y bajo costo. Tales
pilas y baterías tienen la capacidad de suministrar flujos
sustanciales de corriente mientras están en una condición de estado
de carga parcial (PSoC) durante gran número de ciclos. Además, bajo
condiciones de alta carga y descarga, las pilas y baterías según la
presente invención mantienen una temperatura interna mucho menor y
casi isotérmica de la batería, en comparación con la experimentada
en diseños de la técnica anterior. El diseño de lengüeta doble no
desarrolla significativos gradientes de temperatura durante el
trabajo HEV o PSoC/EV de carga rápida y no experimenta sulfatación
preferente. Todas estas características proporcionan ventajas claras
para aplicaciones en
vehículos.
vehículos.
En los dibujos se muestran algunas realizaciones
ejemplares de la invención actualmente preferidas. Se deberá
entender que la invención no se limita a las realizaciones
descritas como ejemplos, y es susceptible de variación dentro del
alcance de las reivindicaciones anexas. En los dibujos,
La figura 1 es una vista en planta desde arriba
de una batería de plomo-ácido regulada por válvula no cubierta por
el conjunto de las reivindicaciones que tiene un dispositivo de
lengüeta doble y placa plana, donde una tapa de la carcasa de
batería se ha quitado de la vista para mostrar mejor la disposición
interior.
La figura 2 es una vista en planta desde abajo de
la batería de lengüeta doble y placa plana de la figura 1 excepto
con una base de la carcasa de batería quitada de la vista.
La figura 3 es una vista lateral en alzado de la
batería de lengüeta doble y placa plana de las figuras 1 y 2
excepto con la pared lateral próxima de la carcasa de batería
quitada de la vista en parte para mostrar mejor la soldadura entre
pilas, que está dispuesto enfrente sobre los tabiques de la pared
de la pila.
La figura 4 es una vista lateral en alzado
comparable a la figura 3 a excepción de mostrar una disposición
alterna de la soldadura entre pilas, que en esta vista no está
dispuesta sobre sino a través de los tabiques de la pared de la
pila.
La figura 5a es una vista en planta desde arriba
de una realización de una batería de plomo-ácido regulada por
válvula según la invención que tiene una disposición de pilas
enrolladas en espiral con tomas bidireccionales de corriente, que
representa ambas barras bus positiva y negativa.
La figura 5b es una vista lateral en alzado de
una pila enrollada en espiral con tomas bidireccionales de
corriente de la figura 5a, mostrando barras bus en la parte
superior e inferior de la unidad.
La figura 6 es un gráfico que muestra ambos
perfiles de fin de voltaje de descarga (EoDV) y temperatura (T),
representados contra un número de ciclos de prueba, para
comparación entre una batería de lengüeta única representativa de la
técnica anterior y una batería de placa plana y lengüeta doble no
cubierta por el conjunto de las reivindicaciones, en condiciones
representativas de una velocidad de ciclo HEV de 2C.
La figura 7 es un gráfico comparable que muestra
los perfiles de fin de voltaje de descarga (EoDV) y temperatura
(T), representados contra el número de ciclos de prueba, para
comparación entre la batería de lengüeta única dada de la técnica
anterior y la batería de placa plana y lengüeta doble no cubierta
por el conjunto de las reivindicaciones, excepto en condiciones
representativas de una velocidad de ciclo HEV de 4C.
La figura 8 es un gráfico que muestra solamente
los perfiles de fin de voltaje de descarga (EoDV), representados
contra el número de ciclos de prueba, para comparación entre la
batería de lengüeta única dada de la técnica anterior y la batería
de placa plana y lengüeta doble no cubierta por el conjunto de las
reivindicaciones, en condiciones representativas de trabajo PSoC/EV
de carga rápida.
Y la figura 9 es un gráfico que muestra solamente
perfiles de temperatura (T), representados contra el número de
ciclos de prueba, para comparación entre la batería de lengüeta
única dada de la técnica anterior y la batería de placa plana y
lengüeta doble no cubierta por el conjunto de las reivindicaciones,
igualmente en condiciones representativas de trabajo PSoC/EV de
carga rápida.
La figura 1 es una vista en planta desde arriba
de una batería de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA) 1 no
cubierta por el conjunto de las reivindicaciones, que incluye en
general una disposición de placas planas. La batería 1 tiene seis
pilas 2 a 7. Cada pila está separada de una pila contigua por medio
de tabiques de pila 8. Las pilas están encerradas en una carcasa de
batería 9. Cada pila incluye placas negativas 10 separadas de
placas positivas 11 por medio de separadores 12. Como se representa
en la figura 3, cada placa negativa tiene lengüetas 13 y 14
sobresaliendo de lados opuestos. Igualmente, cada placa positiva
tiene lengüetas 15 y 16 sobresaliendo de lados opuestos.
Con referencia de nuevo a la figura 1, cada una
de las lengüetas 16 unidas a las placas positivas están conectadas a
barras bus positivas 17 y cada una de las lengüetas 14 unidas a las
placas negativas están conectadas a barras bus negativas 18.
La barra bus negativa 18 de la pila 2 está
conectada a la barra bus positiva 17 de la pila 3 por medio de
unión soldada entre pilas 19. Igualmente la barra bus negativa 18
de la pila 3 está conectada a la barra bus positiva 17 de la pila 4
por una unión soldada 20. Y así sucesivamente, de tal manera que,
igualmente, las pilas 4, 5, 6 y 7 están conectadas entre sí por
uniones soldadas 21, 22 y 23, conectando por lo tanto cada una de
las pilas en serie para formar una batería que tiene una capacidad
nominal de 12 voltios. La figura 3 muestra mejor la soldadura entre
pilas tal la dispuesta enfrente sobre los tabiques de la pared de
la pila. La figura 4 es una vista comparable a la figura 3 a
excepción de mostrar una disposición alterna de soldadura entre
pilas (es decir, 20'), que en esta vista está dispuesta no sobre
sino a través de los tabiques de la pared de la pila. En la figura
1, un terminal 24 está conectado a la barra bus positiva 17 de la
pila 2 y un terminal 25 está conectado a la barra bus negativa 18
de la pila 7.
Según se ve desde abajo como en la figura 2, la
batería tiene una estructura similar con barras bus positivas 26
conectadas a lengüetas positivas 15 que están unidas a las placas
positivas y barras bus negativas 27 conectadas a las lengüetas 13
que están unidas a las placas negativas. Igualmente, las pilas 2,
3, 4, 5, 6 y 7 están conectadas por juntas soldadas 28, 29, 30, 31
y 32 en lados alternos de la batería. La figura 2 también muestra
que la barra bus 26 de la pila 2 tiene un positivo terminal 34
conectado a ella y la barra bus negativa 27 de la pila 7 tiene un
terminal negativo 33 conectado a ella. Por lo tanto, con referencia
a ambas figuras 1 y 2, la batería 1 tiene dos terminales positivos y
dos terminales negativos, representados por las figuras 3 o 4 en
una sola vista, mostrando también estas vistas que las pilas están
provistas de válvulas de seguridad "V".
En la operación, la corriente es llevada de la
parte superior e inferior de cada placa mediante barras bus en la
parte superior e inferior de la pila mediante las barras bus a
respectivos terminales positivo y negativo, proporcionando por ello
un recorrido mucho más corto por término medio desde la placa a un
terminal. Esto minimiza la generación de calor como resultado de
efectos resistivos. Igualmente, este diseño proporciona un
recorrido más corto para disipación del calor de las placas mediante
las barras bus y a través de los terminales.
La figura 5a es una vista en planta desde arriba
de una realización de una batería VRLA 40 según la invención,
incluyendo una disposición de placas enrolladas en espiral. La
batería 40 incluye una placa negativa 41, una placa positiva 42 y un
separador 43. Como se ve en la figura 5b, la placa positiva 42
tiene cuatro lengüetas de placa positiva 44 en la parte superior y
cuatro lengüetas de placa positiva en la parte inferior.
Igualmente, la placa negativa 41 tiene cuatro lengüetas de placa
negativa 46 en la parte superior y cuatro lengüetas de placa
negativa 47 en la parte inferior.
Las lengüetas de placa positiva 44 están
conectadas a una barra bus positiva 48 en la parte superior de la
batería y las lengüetas de placa positiva 45 están conectadas a una
barra bus positiva 49 en la parte inferior de la batería.
Igualmente, las lengüetas de placa negativa 46 están conectadas a
una barra bus negativa 50 en la parte superior de la batería y las
lengüetas de placa negativa 47 están conectadas a una barra bus
negativa 51 en la parte inferior de la batería.
La barra bus positiva 48 está conectada al
terminal positivo 52, la barra bus negativa 50 está conectada al
terminal negativo 53, la barra bus positiva 49 está conectada al
terminal positivo 54 y una barra bus negativa está conectada al
terminal negativo 55.
Se apreciará que las lengüetas 44 y 45 en la
parte superior e inferior respectivamente de la placa positiva 42
están espaciadas a distancias que disminuyen a medida que se
aproxima al interior de la batería unida en espiral de manera que
las lengüetas 44 y 45 coincidan con barras bus 48 y 49
respectivamente. Es claro por ello que el exterior de la placa
enrollada en espiral no drenará tan bien como el interior. Este
problema se podría resolver previendo barras bus adicionales y
lengüetas correspondientes en los extremos externos de las placas
enrolladas en espiral.
Las figuras 6 a 9 proporcionan un evaluación
gráfica de cómo la batería de placa plana y lengüeta doble 1 no
cubierta por el conjunto de las reivindicaciones se compara con una
batería de lengüeta única representativa de la técnica anterior bajo
varias condiciones representativas de trabajo HEV en algunos casos
y trabajo EV en otros.
Como trasfondo, los paquetes de baterías HEV
tienen que operar durante muchos ciclos después de un SoC total.
También están sometidos a corrientes de carga y descarga altas. Se
ha demostrado que la operación de las baterías VRLA comercializadas
bajo dicho trabajo da lugar a formación localizada irreversible de
sulfato de plomo en placas de batería.
Como se ha indicado, una versión de placa plana
de la batería de lengüeta doble 1 según la invención ha sido
evaluada junto con una batería de lengüeta única representativa de
la técnica anterior de tamaño, peso y capacidad equivalentes y bajo
un perfil HEV simulado que es conocido por promover la formación de
sulfato de plomo localizado "refractario". El ciclo de prueba
implicaría los pasos siguientes:
- (i)
- Descarga (velocidad 2C) a 50% SoC;
- (ii)
- Carga a velocidad especificada (es decir, 2C \sim 21 1/2 A; 4C \sim 43 A) durante 1 minuto;
- (iii)
- Descanso en circuito abierto durante 10 segundos;
- (iv)
- Descarga a velocidad especificada (2C \sim 21 1/2 A; 4C \sim 43 A) durante 1 minuto;
- (v)
- Descanso en circuito abierto durante 10 segundos;
- (vi)
- Repetición de (ii)-(v) hasta que el voltaje disminuye a 10 V al final del paso (iv) o aumenta a 15 V al final del paso (ii).
(Nota: todas las cargas y descargas
se basan en
Ahs).
Volviendo a la figura 6, es un gráfico que
muestra ambos perfiles de fin de voltaje de descarga (EoDV) y
temperatura (T), representados contra el número de ciclos de
prueba, para comparación entre la batería de lengüeta única
representativa de la técnica anterior y la batería de placa plana y
lengüeta doble 1 no cubierta por el conjunto de las
reivindicaciones, en condiciones representativas de una velocidad de
ciclo HEV de 2C (es decir, carga y descarga que tienen lugar a una
velocidad especificada, que aquí corresponde a aproximadamente 21
1/2 A).
Cuando se someten al trabajo 2C HEV anterior, lo
que sucedía era que la batería de la técnica anterior y la batería
de la invención 1 suministraban 6900 y 8800 ciclos HEV,
respectivamente, antes de que sus voltajes de fin de descarga (EoDV)
cayesen a 10 V (figura 6) y se precisaba igualación de carga. El
número más alto de ciclos obtenidos por la batería 1 según la
invención representa una disminución de 25% de la frecuencia de
igualación. Los fabricantes de HEV requieren tales mejoras, de
manera que las placas negativas ya no sean un punto débil en las
baterías HEV, permitiendo por ello realizar la igualación de la
carga de las baterías durante el servicio rutinario del vehículo o
eliminarla totalmente.
Pasando ahora al problema de las temperaturas, la
temperatura de la batería de la técnica anterior, medida
externamente en el lado de la carcasa de batería, incrementó
gradualmente durante el funcionamiento y llegó a 65ºC a la
terminación de los ciclos HEV 6900 (figura 6). Estudios anteriores
han demostrado que las temperaturas internas de las baterías pueden
ser de hasta 20ºC más altas que las temperaturas externas bajo
dicho trabajo. Por lo tanto, se considera probable que la operación
continuada de la batería de la técnica anterior podría haber dado
lugar a desbordamiento térmico, una condición que pueden tener
severas implicaciones para la seguridad.
La temperatura de la batería 1 según la invención
permaneció a 38\pm2ºC en todo su período de ciclo (figura 6). Ésta
es casi 30ºC más fría que la de la batería de la técnica anterior.
Obviamente, la batería 1 según la invención es mucho menos
susceptible a los aumentos de temperatura (y por lo tanto al
desbordamiento térmico) bajo operación HEV prolongada que la
batería de la técnica anterior. Esta característica de rendimiento
es muy atractiva para los fabricantes de HEV puesto que los
requisitos de enfriamiento se simplifican mucho. Además, la
temperatura operativa más baja reducirá tanto la corrosión de la
rejilla positiva como la degradación del expansor utilizado en la
placa negativa. Además, minimizará la resistencia interna de la
batería 1 según la invención.
En resumen, la temperatura operativa de la
batería 1 según la invención bajo trabajo HEV se reduce mucho con
relación a la de las baterías representativas de la técnica
anterior que solamente tienen tomas de corriente únicas. La batería
de la invención 1 proporciona un período de ciclo considerablemente
más largo entre cargas de igualación que la batería de la técnica
anterior, un factor que también es muy atractivo para los
fabricantes de HEV.
La figura 7 es un gráfico comparable a la figura
6 porque muestra igualmente los perfiles de fin de voltaje de
descarga (EoDV) y temperatura (T), representados contra el número
de ciclos de prueba, para comparación de la batería de lengüeta
única dada de la técnica anterior con la batería de placa plana y
lengüeta doble según la invención, excepto en condiciones
representativas de una velocidad de ciclo HEV de 4C.
Más en concreto, el rendimiento de la batería de
prueba 1 según la invención y la batería de la técnica anterior se
evaluaron bajo un trabajo HEV (véase supra) con una
velocidad de carga y descarga de 4C. Se esperaba que el aumento de
la velocidad de carga y descarga de 2C a 4C produjese un aumento
considerable de la temperatura operativa de las baterías. Por lo
tanto, como precaución, se introdujo una sonda de temperatura en
ambas baterías en el medio de la tercera pila (del terminal
positivo) entre la placa negativa más central y el separador
adyacente. La temperatura también se supervisó externamente en la
zona más caliente en la caja.
Después de 50 ciclos, las temperaturas externa e
interna de la batería de la técnica anterior alcanzaron 50 y 70ºC
respectivamente (figura 7). En este estado, se consideró que la
operación continuada de la batería daría lugar probablemente a
desbordamiento térmico, y en interés de la seguridad, se quitó del
servicio. En contraposición, la batería 1 según la invención operó
durante 120 ciclos antes de alcanzarse el mismo límite de
temperatura externa. Por lo tanto, como con una operación 2C HEV
(véase supra), la presencia de la segunda toma de corriente
reduce considerablemente la temperatura operativa de la batería 1
según la invención, con relación a la de la batería representativa
de la técnica anterior que tiene solamente una lengüeta por
placa.
La figura 8 es un gráfico que muestra solamente
perfiles de fin de voltaje de descarga (EoDV), representados contra
el número de ciclos de prueba, para comparación entre la batería de
lengüeta única dada de la técnica anterior y la batería de placa
plana y lengüeta doble no cubierta por el conjunto de las
reivindicaciones, pero aquí en condiciones representativas de
estado de carga parcial (PSoC)/trabajo EV de carga rápida.
Como trasfondo, la carga rápida ha demostrado ser
un método para superar el rango limitado de EVs movidos por
plomo-ácido. Además, estudios anteriores demostraron que la
operación PSoC (por ejemplo, ciclo continuado inferior a SoC total)
puede ofrecer mejoras considerables en la duración del
ciclo/energía de duración, que se puede adquirir de baterías VRLA
seleccionadas. También se conoce ahora que la combinación de carga
rápida y trabajo PSoC puede mejorar el rango efectivo de EVs, y la
duración de ciclo/energía de duración del paquete de batería. Dado
que este tipo de operación EV es similar al trabajo HEV, es decir,
carga rápida (hasta 12C) y operación prolongada dentro de una
ventana de SoC fija, se decidió evaluar una batería de prueba según
la invención bajo condiciones de PSoC/EV de carga rápida. Por
consiguiente, la batería 1 según la invención y la batería
representativa de la técnica anterior operaron continuamente bajo
los tres regímenes siguientes aplicados secuencialmente.
Régimen
1
- La batería se descarga desde 100% SoC a una velocidad C dada de 21 1/2 a un SoC nominal de 20% (en base a Ahs).
Régimen
2
- La batería se carga a 6C (129 A) desde un SoC nominal de 20% hasta que llega a un SoC nominal de 80% (en base a Ahs). La batería se descarga después a la velocidad C (21 ½ A) a un SoC nominal de 20% (en base a Ahs). La operación de carga-descarga entre SoC de 20 y 80% sin recarga completa se denomina un "ciclo PSoC". El proceso PSoC se continúa durante 24 ciclos PSOC, o hasta que el voltaje de batería al final de la descarga disminuye a 11,1 V, punto en el que se considera que la batería está a 10% SoC, por ejemplo, una ventana operativa PSoC inicial de 20-80% ha llegado a ser 10-70% SoC.
- (Nota: un conjunto de 24 ciclos PSoC se denomina un "ciclo maestro").
Régimen
3
- (i)
- La batería se carga a 6C hasta que la corriente cae a 5A;
- (ii)
- La batería se iguala después con una corriente constante durante un tiempo especificado.
Los resultados del ciclo, expresados en términos
del voltaje de fin de descarga (EoDV) a la terminación de la
descarga en el Régimen 2, se muestran en la figura 8. El EoDV de la
batería de la técnica anterior aumenta inicialmente en respuesta a
un aumento de la temperatura de la batería, producido por el
comienzo de la carga rápida. El EoDV disminuye después de forma
constante de 11,75 a 11,45 V durante el resto del ciclo maestro,
presumiblemente como resultado de las ineficiencias de carga. El
EoDV se recuperó después de la carga de ecualización (Régimen 3),
pero después disminuyó gradualmente a 11,45 V durante el segundo
ciclo maestro. El EoDV después de la primera descarga del tercer
ciclo maestro había disminuido a 11,15 V, en comparación con 11,45
V durante los ciclos maestros primero y segundo. Esta degradación
"irreversible" del EoDV continuó, llegando el voltaje de
batería al límite de corte de 11,10 V durante la última descarga
del cuarto ciclo maestro. En todos los ciclos maestros siguientes,
la batería fue incapaz de suministrar 24 ciclos antes de llegar al
voltaje de corte.
El EoDV de la batería 1 según la invención
permaneció a un nivel mucho más alto durante toda la operación de
PSoC/carga rápida, en comparación con el de la batería
representativa de la técnica anterior (figura 8). Por ejemplo, el
EoDV de la batería de la invención 1 durante la última descarga de
los ciclos maestros primero y final era 11,70 y 11,50 V,
respectivamente, en comparación con 11,45 y 11,10 V para la batería
de la técnica anterior. Por lo tanto, la batería 1 según la
invención es más resistente a la pérdida de capacidad bajo trabajo
PSoC/carga rápida y, como consecuencia, era capaz de suministrar el
número requerido de ciclos PSoC durante todo el período de
prueba.
La batería de la técnica anterior y la batería 1
según la invención utilizadas en estos experimentos estaban
provistas de tres termopares internos para medir la temperatura
operativa "real" de las baterías durante PSoC/trabajo de carga
rápida. Las sondas se instalaron en la tercera pila y se colocaron
entre la placa negativa media y el separador adyacente en las
posiciones siguientes:
- (i)
- A 1 cm de la parte superior del grupo de pilas;
- (ii)
- En medio del grupo de pilas;
- (iii)
- A 1 cm de la parte inferior del grupo de pilas.
La figura 9 muestra la temperatura interna de
ambas baterías a la terminación de la carga durante un ciclo
maestro típico. Se formó rápidamente un gradiente de temperatura en
la batería de la técnica anterior durante la operación inicial.
Después de cuatro ciclos, la temperatura interna de la batería
llegó a 90, 75 y 70ºC en la parte superior, media e inferior,
respectivamente. La magnitud del aumento era sorprendente, dado que
la temperatura externa, medida al punto más caliente en el exterior
de la carcasa de batería, se limitó a 55ºC.
La temperatura interna de la batería de lengüeta
doble 1 según la invención aumentó gradualmente durante la
operación inicial de PSoC/carga rápida, llegando a aproximadamente
65ºC después de 15 ciclos. Durante este tiempo, la temperatura
diferencial desde la parte superior a la parte inferior de la
batería no excedió de 5ºC. Por lo tanto, la batería 1 según la
invención tiene una temperatura media inferior de batería y una
temperatura diferencial interna reducida, en comparación con la
batería de lengüeta única de la técnica anterior, cuando opera bajo
condiciones de PSoC/carga rápida.
Esta mejora del rendimiento se debe a la
naturaleza de lengüeta doble de la batería 1 según la invención. En
diseños de lengüeta única de la técnica anterior, hay un incremento
significativo de la densidad de corriente, es decir, hay
"concentración de corriente" hacia la toma de corriente, o
lengüeta, en la parte superior de las placas de batería durante
alta velocidad de carga o descarga. Dado que el calentamiento dentro
de las baterías está relacionado con el cuadrado de la corriente y
la resistencia de la batería (es decir, I^{2}R), las altas
densidades de corriente localizadas en la parte superior de las
placas pueden dar lugar a grandes efectos de calentamiento en estas
regiones. La inclusión de una segunda toma de corriente según la
invención en la parte inferior de la placa da lugar a una menor
densidad de corriente más uniforme con la placa, reduciendo así la
cantidad general de calor producido. Además, la batería de lengüeta
doble 1 según la invención proporciona una disipación uniforme de
calor que da lugar a temperaturas uniformes en toda la batería.
Se ha demostrado que la operación de las baterías
VRLA bajo trabajo HEV puede originar la acumulación de sulfato de
plomo "refractario" o "duro" en la parte inferior de las
placas negativas. El fenómeno se ha explicado en términos de pobre
aceptación de carga de las placas negativas. El descubrimiento de
grandes gradientes de temperatura interna como resultado de altas
corrientes de carga/descarga en este estudio, sin embargo, permite
la representación de una hipótesis adicional.
Es sabido que si dos baterías en paralelo se
ponen en funcionamiento a temperaturas considerablemente
diferentes, la batería más caliente experimentará la mayor
utilización de material activo durante la descarga. La batería
caliente también aceptará la mayor cantidad de carga durante un
tiempo de carga dado y voltaje de carga máxima. Dado que las
regiones superior e inferior de una placa de batería están
efectivamente en paralelo, se deduce que si estuviesen a
temperaturas diferentes, experimentarían grados diferentes de
utilización de material activo durante la descarga. Además, las
posiciones más calientes experimentarían un mayor grado de
sobrecarga con relación a las zonas más frías.
Esta situación conducirá a carga deficiente y
sulfatación de las regiones más frías. El diseño de lengüeta doble
según la invención no desarrolla gradientes de temperatura
significativos durante HEV o PSoC/trabajo EV de carga rápida.
Presumiblemente es por ello que la batería de la invención de
lengüeta doble no experimenta sulfatación preferencial.
Las mejoras sobre la técnica anterior
representadas por los gráficos anteriores y que se ha hallado que
cabe esperar lograr con una versión de placa plana de la batería de
lengüeta doble 1 según la invención en medida comparable con la
versión enrollada en espiral 40 de la batería de lengüeta doble
según la invención.
Habiendo descrito la invención en conexión con
las variaciones y ejemplos anteriores, ahora serán evidentes a los
expertos en la técnica variaciones adicionales. No se pretende
limitar la invención a las variaciones mencionadas específicamente,
y por consiguiente se deberán consultar las reivindicaciones anexas
más bien que la explicación anterior de ejemplos preferidos, para
conocer el alcance de la invención por la que se reivindican
derechos exclusivos.
Claims (2)
1. Una pila de batería de plomo-ácido regulada
por válvula de placas en espiral de lengüetas múltiples,
incluyendo:
un conjunto en espiral que tiene una placa
negativa y otra positiva y medios separadores intercalados entre las
placas;
teniendo cada placa bordes en espiral opuestos
formados con una pluralidad de grupos de lengüetas que están
sustancialmente separadas en un borde en espiral dado de manera que
cada grupo de lengüetas sirva al flujo de entrada o salida de
corriente de una proporción geométrica de la placa muy
aproximadamente proporcional al número de grupos de lengüetas para
la placa, donde el grupo de lengüetas están esparcidas y el
conjunto en espiral está dispuesto de forma cooperante de tal manera
que los grupos de lengüetas de la placa negativa y los bordes en
espiral opuestos y los grupos de lengüetas de la placa positiva y
los bordes en espiral opuestos presenten una primera, segunda,
tercera y cuarta alineación respectivamente de grupos de
lengüetas;
al menos una primera, segunda, tercera y cuarta
barra bus acoplada eléctricamente a las alineaciones primera,
segunda, tercera y cuarta de grupos de lengüetas respectivamente;
y
al menos un primer, segundo, tercer y cuarto
terminal conectados para servir eléctricamente a al menos una
primera, segunda, tercera y cuarta barra bus, respectivamente, por
lo que dicha pila es servida por al menos múltiples pares de
terminales positivo y negativo.
2. Un vehículo eléctrico o eléctrico híbrido
incluyendo una o varias pilas según la reivindicación 1.
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