ES2247896A1 - Dispositivo y metodo para la medida dinamica del nivel de energia y el estado de salud de baterias de plomo-acido. - Google Patents
Dispositivo y metodo para la medida dinamica del nivel de energia y el estado de salud de baterias de plomo-acido.Info
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Abstract
Dispositivo y método para la medida dinámica del nivel de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido. Consiste en un dispositivo para determinar estado de energía, eficiencia de carga y estado de salud de una batería de plomo-ácido mediante un conjunto de medidas de tensión, corriente, temperatura y resistencia interna en bornes de la misma. El dispositivo se conecta en bornes de la batería (1) con o sin carga (2), y comprende un microcontrolador (3) que recibe las medidas realizadas por un sensor de corriente (5), un sensor de temperatura (7) y la tensión en bornes de la batería (4,6 y 8). La resistencia interna de la batería (1) se mide indirectamente utilizando una fuente de corriente (9) controlada por el microcontrolador (3) a través de un convertidor digital-analógico (10), un sensor de corriente (12) con sus etapas de acondicionamiento (13 y 14) que mide la corriente que pasa por una impedancia de referencia (11), y un condensador de desacoplo (16). Relé (15) para la autocalibración del dispositivo. La pantalla LCD (17) muestra los resultados, y la interficie RS-232 (18) permite la conexión a un ordenador.
Description
Dispositivo y método para la medida dinámica del
nivel de energía y el estado de salud de baterías de
plomo-ácido.
La invención se encuadra en el sector técnico de
almacenamiento y control energético.
Las baterías son unos elementos ampliamente
utilizados para el almacenamiento de energía eléctrica. Su uso se
extiende desde la industria (espacial, automoción, energética, etc.)
al ámbito doméstico. Un aspecto importante a tener en cuenta en
aplicaciones alimentadas mediante baterías es conocer la cantidad
de energía disponible, y el estado de salud. Estos dos parámetros
permiten predecir la autonomía disponible y establecer el momento
ideal para el cambio de las baterías.
En los documentos de patente PTC/ES00/00393 y
PTC/ES99/00414 se propone un método para la medida de las distintas
variables que permiten el cálculo del estado de carga de baterías.
Este método se basa en la medida de tensión, corriente, temperatura
y resistencia en bornes de la batería. La medida de la resistencia
interna de la batería se basa en una medición en alterna a cuatro
hilos a una frecuencia de 100Hz. Ésta técnica tiene dos
inconvenientes: cualquier interferencia que se produzca es captada
íntegramente por el sensor, y cuando las cargas conectadas a la
batería se encuentran activas se produce un efecto de carga sobre
la resistencia interna de la batería. Por otra parte, el cálculo del
estado de carga de la batería se realiza en base a una tabla de
conversión.
Sería por tanto deseable poder reducir la
sensibilidad a interferencias y evitar en lo posible el efecto de
carga, realizar un cálculo más preciso del estado de carga de la
batería, así como realizar el cálculo del nivel de energía, el
estado de salud, y la eficiencia de carga de la batería.
Para ello, la presente Invención se centra en la
medida de la resistencia interna de la batería y en método de
cálculo de la cantidad de energía disponible y el estado de salud de
la batería. Al emplear un divisor de corriente para la medida de la
resistencia interna de la batería se reduce la sensibilidad al
ruido. Asimismo, se minimiza el efecto de carga al poder controlar
el valor de la resistencia de la segunda rama del divisor de
corriente. Al emplear una fuente de corriente controlada, se
elimina también la necesidad de medir la corriente en bornes de la
batería, ya que ésta puede deducirse de forma indirecta. El método
de cálculo de la cantidad de energía disponible y el estado de
salud de la batería se realiza en base a un modelo eléctrico de
batería, mejorando así la precisión de los resultados.
La invención consiste en un sistema gobernado por
un microcontrolador que es capaz de medir tensión, corriente,
temperatura y resistencia en bornes de la batería. A partir de estas
medidas se aplica un algoritmo de cálculo para obtener el estado de
carga (SOC) y de salud (SOH) de la batería, la eficiencia de carga
(\eta_{c}), y el nivel de energía (LOE). Para el algoritmo de
cálculo, se toma como base el modelo eléctrico de batería que se
muestra en la figura 2.
Las medidas pueden realizarse estando la carga
conectada o desconectada de la batería. En el caso en que se
encuentre alguna carga conectada se monitoriza la evolución de los
distintos parámetros en tiempo real.
La medida de la resistencia interna de la batería
se realiza en alterna y se emplea un divisor de corriente. La
figura 1 presenta la topología básica del sistema de medida. Una
fuente de corriente alterna controlada por tensión (9) genera una
corriente alterna que se distribuye por las ramas que contienen una
impedancia de referencia (11), y la impedancia interna de la
batería (20) según el modelo de la figura 2. El condensador (16)
cumple la función de desacoplo entre continua y alterna. Un sensor
de corriente (12) mide la corriente que circula por la impedancia
de referencia (11). De esta forma, puede calcularse el valor de la
impedancia interna de la batería (20).
Las medidas de tensión, corriente y temperatura
se realizan de forma directa en bornes de la batería. Para ello se
utilizan los sensores correspondientes. Cada sensor se acompaña del
circuito de acondicionamiento analógico de señal en caso que sea
necesario.
La expresión del SOC en función de la resistencia
interna, R_{c/dc}, la capacidad nominal de la batería a corriente
constante durante diez horas en las peores condiciones, C'_{10},
la corriente, I, y la temperatura, \DeltaT, varía según las
baterías se estén cargando o descargando:
(1)SOC(t)|_{descarga} =
\left(\frac{P_{3dc}}{\frac{C'_{10}\cdot
R_{ac}(t)}{1-\alpha_{rdc}\Delta
T(t)}-\frac{P_{1dc}}{1+|I(t)|^{P_{2dc}}}-P_{5dc}}\right)^{\tfrac{1}{P_{4dc}}}
(2)SOC(t)|_{carga}=
1-\left(\frac{P_{3c}}{\frac{C'_{10}\cdot
R_{c}(t)}{1-\alpha_{rc}\Delta
T(t)}-\frac{P_{1c}}{1+I(t)^{P_{2c}}}-P_{5c}}\right)^{\tfrac{1}{P_{4c}}}
donde P_{1dc}, P_{2dc},
P_{3dc}, P_{4dc}, P_{5dc} y \alpha_{rdc} son coeficientes
que relacionan el estado de carga con la temperatura, corriente y
resistencia interna de la
batería.
Una vez conocido el estado de carga, el nivel de
energía de la batería se obtiene de la siguiente forma:
(3)LOE(t)
=\frac{C(t)}{C_{n}}
SOC(t)
donde C_{n} indica la capacidad
máxima de la batería en el rango de temperaturas y corrientes de
trabajo, y C(t) es la evolución de la capacidad de la batería
a lo largo del
tiempo.
Por otra parte, el estado de salud de la batería
se determina según la siguiente ecuación:
(4)SOH(t)=\frac{\frac{C'_{10}(t)}{C_{10}}-0\text{.}25}{0\text{.}75}
Finalmente, la eficiencia de carga se calcula
según:
(5)\eta_{c}(t)=1-e^{\left(\tfrac{\alpha_{cmt}}{\tfrac{I(t)}{I_{10}}+b_{cmt}}\cdot(SOC(T)-1)\right)}
El método de medida está basado en tres
etapas:
- 1.
- Medida de la tensión de batería en circuito abierto y cálculo de SOC, LOE y \eta_{c}
- 2.
- Medida de la resistencia interna en circuito abierto y cálculo de C'_{10} y SOH.
- 3.
- Conexión de la batería al sistema y monitorización de la resistencia interna para determinar en tiempo real el SOC y actualizar los valores de LOE y \eta_{c}.
Para la mejor comprensión de cuanto queda
descrito en la presente memoria, se acompañan unos dibujos en los
que se presentan los esquemas eléctricos de implementación del
sensor y del modelo de batería adoptado.
En la figura 1 se muestra el esquema de la
implementación del sensor conectado en bornes de la batería (1) con
o sin carga (2). La parte principal del dispositivo de medida es un
microcontrolador (3). Éste recibe las medidas de tensión, corriente
y temperatura en bornes de la batería (1). El valor de tensión de
la batería debe acondicionarse (4) al rango de valores que admite
el microcontrolador (3). La señal proporcionada por un sensor de
corriente (5) lleva asociada un acondicionador de señal (6).
Igualmente, la señal proporcionada por el sensor de temperatura (7)
también es acondicionada (8). Una fuente de corriente alterna (9),
controlada por el microcontrolador (3) a través de un convertidor
digital-analógico (10), inyecta la corriente en un
divisor de tensión. El divisor de tensión está formado por una
impedancia de referencia (11) de valor conocido y la impedancia
interna (20) del modelo de batería de la figura 2. Un sensor de
corriente alterna (12) mide la corriente que pasa por la impedancia
de referencia (11). El valor medido es acondicionado por una etapa
amplificadora (13) y un filtro pasa banda (14). Un relé (15)
controlado por el microcontrolador (3) permite una autocalibración
del dispositivo de medida. Un condensador (16) cumple la función de
desacoplo entre continua y alterna. Los resultados se presentan en
una pantalla (17), y pueden enviarse a otro dispositivo externo a
través de una interficie RS-232 (18).
La figura 2 muestra el modelo eléctrico de una
batería. Éste se compone de una fuente independiente de tensión
ideal (19), y una impedancia de salida (20).
\newpage
La presente invención se ilustra adicionalmente
mediante el siguiente ejemplo de la realización preferida, el cual
no pretende ser limitativo de su alcance.
El dispositivo de medida dinámica del nivel de
energía y el estado de salud de una batería de plomo-ácido
propuesto, y el modelo de batería empleado, se muestran en las
figuras 1 y 2. El cálculo del nivel de energía y el estado de salud
lo realiza un microcontrolador (3) en base a las medidas de
tensión, corriente, temperatura, e impedancia interna de la batería
(20).
La medida de tensión en bornes de la batería se
realiza de forma directa, siendo necesario acondicionar la señal
(4) a los niveles de tensión admitidos por el microcontrolador (3).
La medida de la corriente en bornes de la batería también se realiza
directamente mediante un sensor de efecto Hall (5). Dicho sensor
proporciona una salida en corriente que debe convertirse a una
tensión con un margen de valores admitidos por el microcontrolador.
Igualmente, la señal proporcionada por el sensor de temperatura (7)
es acondicionada a niveles de tensión (8) admitidos por el
microcontrolador. La medida de la impedancia interna de la batería
(20), es un medida indirecta basada en un divisor de corriente. Como
impedancia de referencia (11) se utiliza la misma pista de cobre
del circuito impreso, con unos valores de longitud y anchura
específicos. El condensador de desacoplo (16) se obtiene a partir de
la asociación de varios condensadores en paralelo. La corriente
alterna que pasa por la rama de referencia del divisor de tensión
se mide mediante otro sensor de efecto Hall (12) cuya señal es
debidamente acondicionada (13) y filtrada por un filtro activo pasa
banda (14) de orden 8.
Para la comunicación del microcontrolador con un
ordenador externo, se emplea un convertidor de los niveles de
tensión proporcionados por el microcontrolador a los niveles de
tensión definidos por el estándar de comunicación serie
RS-232 (18).
Los resultados se muestran a través de una
pantalla de cristal líquido con cuatro dígitos de siete segmentos
(17).
Con estos componentes, se busca una realización
sencilla y económica del dispositivo de medida, así como un consumo
mínimo de los elementos activos que forman el dispositivo.
Claims (14)
1. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido
caracterizado por estar basado en un modelo eléctrico de
batería.
2. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1, caracterizado por realizar medidas
eléctricas externas de la batería.
3. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1 y 2, caracterizado por realizar medidas de
tensión, corriente y temperatura en continua, y de impedancia
interna de la batería en alterna.
4. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1, 2 y 3, caracterizado porque las medidas de
tensión, corriente y temperatura son directas.
5. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1, 2 y 3, caracterizado porque la medida de
la impedancia interna de la batería es indirecta.
6. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1, 2, 3 y 5, caracterizado por realizar la
medida de resistencia interna utilizando un divisor de
corriente.
7. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías, según reivindicación 1
a 6, caracterizado por realizar un acondicionamiento
analógico de las señales medidas.
8. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1 a 7, caracterizado porque el procesado de
las medidas es digital.
9. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1 a 8, caracterizado porque el elemento
procesador de las medidas es un microcontrolador.
10. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1 a 9, caracterizado porque el un
microcontrolador utiliza un método matemático para el cálculo del
nivel de energía y el estado de salud de la batería.
11. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1 a 10, caracterizado porque el método
matemático de cálculo determina el estado de carga de la batería
según las ecuaciones 1 y 2.
12. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1 a 11, caracterizado porque el método
matemático de cálculo determina el nivel de energía de la batería
según la ecuación 3.
13. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1 a 12, caracterizado porque el método
matemático de cálculo determina el estado de salud de la batería
según la ecuación 4.
14. Dispositivo para la medida dinámica del nivel
de energía y el estado de salud de baterías de plomo-ácido, según
reivindicación 1 a 13, caracterizado porque el método
matemático de cálculo de la eficiencia de carga se realiza según la
ecuación 5.
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