ES2276876T3 - Procedimiento para la determinacion del estado de carga de acumuladores mediante la integracion de las cantidades de corriente que fluyen durante la carga y descarga. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la determinación del estado de carga de acumuladores mediante integración de las cantidades de corriente que fluyen durante la carga y descarga, determinándose un primer valor de estado de carga (LZA) mediante la integración continua de la corriente del acumulador y determinándose un segundo valor de estado de carga (LZB) mediante la medición de la tensión de reposo (U0) después de la carga o descarga de una cantidad de carga (Q) definida que basta para abandonar el intervalo del potencial mixto de los electrodos y alcanzar una tensión de reposo del acumulador y mediante la comparación de esta tensión de reposo (U0) medida con curvas características de la tensión de reposo determinadas de forma empírica del acumulador, eligiéndose de los valores LZ así obtenidos el valor que sea más fiable en las condiciones de servicio previas, teniéndose en cuenta en la valoración de la fiabilidad de (LZA), en particular, el paso de carga y en la valoración de la fiabilidad de (LZB), enparticular, la cantidad de carga (Q) que ha fluido y ascendiendo la cantidad de carga (Q) a entre el 1 y el 40 %, preferiblemente entre el 5 y el 15 %, de la capacidad nominal del acumulador.
Description
Procedimiento para la determinación del estado
de carga de acumuladores mediante la integración de las cantidades
de corriente que fluyen durante la carga y descarga.
La invención se refiere a un procedimiento para
la determinación del estado de carga de acumuladores mediante la
integración de las cantidades de corriente que fluyen durante la
carga y descarga.
Para numerosas aplicaciones de acumuladores es
necesario determinar el estado de carga actual. Para ello están
disponibles en primer lugar las magnitudes de medición de la
corriente del acumulador, de la tensión del acumulador y de la
temperatura. Los procedimientos conocidos para la determinación del
estado de carga usan, en particular, la integración de la corriente
que fluye por el acumulador.
En el documento US 6.127.806 está descrito un
procedimiento para la determinación del estado de carga de
acumuladores mediante la integración de las cantidades de corriente
que fluyen durante la carga y descarga. Un valor de estado de carga
se determina mediante la medición de una tensión de reposo y la
comparación con curvas características de la tensión de reposo. Una
integración sólo se produce de forma excepcional, cuando la tensión
de reposo de un elemento es mayor que la tensión que se ha
determinado para un valor de estado de carga de un 100%.
En el documento US 2001/009370 A1 está descrito
un procedimiento para la determinación del estado de carga de un
acumulador en el que el estado de carga se determina porque se
determinan al menos dos valores de estado de carga con dos
procedimientos distintos, respectivamente. Los distintos valores de
estado de carga así determinados se ponderan con factores de
fiabilidad e indican de esta forma un valor de estado de carga
resultante para el acumulador.
Por el documento DE-PS 22 42 510
se conoce, por ejemplo, valorar en un procedimiento para la medición
del estado de carga la corriente de carga con un factor que depende
de la temperatura y del estado de carga de la batería propiamente
dicha. En otros casos se usa la comparación entre la tensión de
batería y una curva característica de la tensión de reposo
conocida, que describe una relación terminante entre el estado de
carga y la tensión de reposo. El documento DE-OS 40
07 883 describe, por ejemplo, un procedimiento en el que la
capacidad de arranque de un acumulador se determina mediante la
medición de la tensión del acumulador y la temperatura de la
batería y la comparación con un grupo de curvas del estado de carga
válido para el tipo de batería que ha de ser comprobado.
Estos procedimientos conocidos tienen
inconvenientes importantes. Al hacer un balance de la carga, las
inexactitudes en la medición de la corriente conducen a un error
que se va acumulando con el tiempo, que puede conducir rápidamente
a una alteración fundamental de los resultados. Además, en las
integraciones de corriente de este tipo no puede tenerse en cuenta
la descarga espontánea del acumulador, que siempre existe. Los
inconvenientes de los procedimientos que trabajan con curvas
características se manifiestan, en particular, en el caso de curvas
características de U/estado de carga muy planas, puesto que en estos
casos es necesaria una medición de la tensión muy exacta debiendo
tenerse en cuenta generalmente también otros factores adicionales,
como el valor de la corriente del acumulador y la temperatura. En
sistemas con una curva característica de U/estado de carga no
concluyente, no es posible determinar el estado de carga sólo a
partir de la curva característica. Esto es válido, por ejemplo,
para el sistema de níquel-hidruro metálico.
Los inconvenientes de estos procedimientos
conocidos para la determinación del estado de carga se hacen notar
tanto más claramente cuanto más dinámica sea la demanda de potencia
y cuanto menor sea la capacidad del acumulador. No obstante, este
es el caso, en particular, en aplicaciones de baterías como por
ejemplo la batería de la red de a bordo o la batería híbrida en
automóviles.
Por lo tanto, la invención tiene el objetivo de
indicar un procedimiento para la determinación del estado de carga
de un acumulador, en particular, de un acumulador de
níquel-hidruro metálico, que tenga una exactitud
suficiente y que permita una previsión fiable del estado de carga,
también en aplicaciones dinámicas.
Según la invención, este objetivo se consigue en
un procedimiento indicado al principio para la determinación del
estado de carga mediante las propiedades caracterizadoras de la
reivindicación 1. En las reivindicaciones subordinadas se indican
configuraciones ventajosas del procedimiento.
A continuación, el procedimiento según la
invención se explicará más detalladamente con ayuda de una
figura.
La figura muestra la evolución de la tensión de
reposo de un acumulador de níquel-hidruro metálico
en función del estado de carga.
La tensión U_{0L} es, por lo tanto, la tensión
medida en el estado sin corriente del acumulador, que se ajusta
después de finalizar un proceso de carga. La tensión U_{0E} es la
tensión medida en el acumulador sin corriente que se ajusta después
de finalizar un proceso de descarga.
Por sin corriente se entenderá a este respecto y
en lo sucesivo que la corriente se sitúa en el intervalo entre 0 e
I_{10}, correspondiendo I_{10} a la corriente que basta para
cargar un acumulador en 10 horas hasta alcanzar su capacidad
nominal. En el intervalo entre estas dos curvas características, los
electrodos tienen un llamado potencial mixto, que está
caracterizado porque no se trata de un potencial de equilibrio sino
de un potencial de reposo, con densidades de corriente de
intercambio indeterminadas de las reacciones individuales.
Según la invención, durante el servicio de la
batería se calculan continuamente varios valores de estado de carga
LZ. Durante este proceso se determina a partir de la integración en
función del tiempo de la corriente que fluye por el acumulador un
primer estado de carga LZ_{A}, que puede denominarse también
estado de carga contable. El valor determinado mediante esta
integración de corriente puede mejorarse mediante correcciones. Por
ejemplo, puede ponderarse la corriente medida del acumulador con un
factor \eta, que describe un rendimiento de carga que depende a
su vez del estado de carga, de la temperatura y de la corriente.
Como otra corrección se deduce permanentemente del estado de carga
determinado mediante integración la descarga espontánea del
acumulador, que depende del estado de carga y de la temperatura.
Además, se determina según la invención otro
estado de carga LZ_{B}, que se determina a partir de una
correlación de las curvas características de la tensión sin carga.
Según la invención, se usa para la determinación del segundo valor
de estado de carga la tensión de reposo, que se ajusta después de la
carga de una cantidad de carga Q definida o después de la descarga
de una cantidad de carga Q definida del acumulador. Esta cantidad
de carga Q debe bastar siempre para abandonar el intervalo del
potencial mixto de los electrodos y alcanzar una tensión de reposo
real del acumulador. En la figura, por ejemplo, están representadas
de forma esquemática una cantidad de carga
Q_{L} (L_{Z1}, L_{Z2}) y una cantidad de descarga Q_{E} (L_{Z3}, LZ_{4}). Como ya se ha dicho anteriormente, esta tensión de reposo también puede medirse dentro de unos límites determinados (I_{10}) de corrientes existente. La tensión de reposo así medida puede corregirse a continuación mediante la corrección de la caída de tensión medida correspondiente a la resistencia interior de la batería, dependiendo la propia resistencia interior del estado de carga y de la temperatura. La tensión de reposo así corregida se compara a continuación según la invención con curvas características de tensión de reposo determinadas de forma empírica del acumulador determinándose a partir de ello el estado de carga LZ_{B}. A partir de los valores así obtenidos del estado de carga se elige el que sea el más fiable en las condiciones de servicio previas. En la valoración de LZ_{A} se tiene en cuenta, en particular, el paso de carga y en la valoración de LZ_{B}, en particular, la cantidad de carga Q que ha fluido durante la medición.
Q_{L} (L_{Z1}, L_{Z2}) y una cantidad de descarga Q_{E} (L_{Z3}, LZ_{4}). Como ya se ha dicho anteriormente, esta tensión de reposo también puede medirse dentro de unos límites determinados (I_{10}) de corrientes existente. La tensión de reposo así medida puede corregirse a continuación mediante la corrección de la caída de tensión medida correspondiente a la resistencia interior de la batería, dependiendo la propia resistencia interior del estado de carga y de la temperatura. La tensión de reposo así corregida se compara a continuación según la invención con curvas características de tensión de reposo determinadas de forma empírica del acumulador determinándose a partir de ello el estado de carga LZ_{B}. A partir de los valores así obtenidos del estado de carga se elige el que sea el más fiable en las condiciones de servicio previas. En la valoración de LZ_{A} se tiene en cuenta, en particular, el paso de carga y en la valoración de LZ_{B}, en particular, la cantidad de carga Q que ha fluido durante la medición.
Según la invención no es necesario que la
cantidad de carga Q resulte de una corriente de carga que fluya
continuamente. También es posible que esta corriente de carga sea
interrumpida, por ejemplo, por breves intervalos de descarga.
Por lo tanto, existen dos posibilidades para la
determinación de la cantidad de carga Q. En un primer procedimiento,
la cantidad de carga Q se determina mediante la integración de la
corriente de carga o descarga del acumulador en función del tiempo.
En este procedimiento, el valor de Q debería situarse según la
invención en un intervalo entre el 1 y el 40% de la capacidad
nominal de la batería, en particular, el valor Q debería situarse
entre el 5 y el 10% de la capacidad nominal de la batería. Si en la
integración de Q se interrumpe la carga o descarga y la batería se
descarga o se carga, el valor se vuelve a poner a 0 y, al seguir con
la carga o descarga, se vuelve a integrar desde el valor
repuesto.
repuesto.
En un segundo procedimiento, la cantidad de
carga Q puede determinarse sin que deba existir continuamente una
corriente que fluye en la dirección de carga o descarga, pudiendo
interrumpirse la corriente en cuestión por lo contrario mediante
breves fases de carga o descarga, respectivamente. En este caso se
realiza una integración de la corriente de acumulador en función
del tiempo, teniéndose en cuenta tanto los procesos de carga como
los de descarga en la determinación de Q por integración. En este
procedimiento, la cantidad de carga Q debería situarse entre el 1 y
el 40%, preferiblemente entre el 5 y el 15% de la capacidad nominal
del acumulador.
La fiabilidad de los valores LZ_{B} que se
determinan a partir de los valores U_{0} medidos mediante las
curvas características de U_{0}/estado de carga, depende de
distintos criterios, en particular de la cantidad de descarga o
carga. También el estado de carga LZ_{A} contable, determinado
mediante la integración de la corriente, presenta un error, que se
vuelve más grande, en particular en función del tiempo. En un
acumulador que tiene más de aprox. 20 elementos se miden las
diferentes tensiones parciales de todo el conjunto de la batería.
De la tensión parcial mínima o máxima de una batería de acumuladores
resultan los valores LZ_{A\text{mín}.} y LZ_{Amáx.}, así como
LZ_{B\text{mín}.} y LZ_{Bmáx.}. Estos distintos valores de
estado de carga son provistos individualmente de factores de
fiabilidad. Los valores de fiabilidad se determinan y normalizan
para los distintos valores de estado de carga según diferentes
procedimientos. El valor de fiabilidad para la determinación del
estado de carga contable, que se realiza mediante integración de la
corriente, depende en gran medida del tiempo desde un último
calibrado, puesto que todos los errores que se producen en la
determinación de la corriente y de los factores de corrección se
integran en función del tiempo. Otros factores que se tienen en
cuenta al determinar la fiabilidad de este procedimiento de
determinación del estado de carga son la cantidad de carga que ha
pasado desde un recalibrado y la corriente de carga o descarga
máxima y, en particular, la temperatura de la
batería.
batería.
La fiabilidad de los valores de estado de carga
determinados mediante la medición de la tensión de reposo se
determina con ayuda de condiciones supletorias. En particular, se
tiene en cuenta que la relación entre la tensión de reposo y el
estado de carga es más fiable en determinados intervalos. Por lo
tanto, el estado de carga debe situarse, en particular, por encima
de valores entre el 10 y el 30% (L_{Z0}) y por debajo de valores
entre el 70 y el 90% L_{ZU}). Además, los valores de los estados
de carga que se han determinado a partir de tensiones parciales de
la batería sólo deben distinguirse unos valores determinados,
debiendo ser las diferencias, por ejemplo, como máximo de aprox. un
5%. Además, se tiene en cuenta el valor absoluto de la corriente
que fluye por la batería, que fluye en un lapso de tiempo t. El
lapso de tiempo t debería ser menor de 20 minutos; t se sitúa
preferiblemente entre 10 segundos y 3 minutos. El valor límite de
corriente I_{1} debe ser menor de C/10 (I_{10}), situándose
I_{1} preferiblemente entre C/100 y C/20.
Según las desviaciones de los valores reales de
los valores teóricos anteriormente indicados, los valores LZ_{A}
y los valores LZ_{B} se valoran con una fiabilidad determinada. La
fiabilidad es tanto mayor cuanto menor sean las desviaciones de los
valores límite. El estado de carga de la batería se determina a
continuación a partir de los diferentes valores LZ_{A} y
LZ_{B}, usándose el estado de carga con la mayor fiabilidad. Una
corrección del estado de carga se realiza en tiempos determinados,
cuando se alcanzan, por ejemplo, valores límite en función del
tiempo o de la capacidad. Una adaptación correctiva del estado de
carga se realiza según la invención sólo paso a paso. Cuando el
estado de carga anterior y el nuevo difieren, por ejemplo, menos de
entre el 0 y el 10%, el valor anterior se mantiene sin que sea
modificado para evitar la sumisión de errores. Cuando el estado de
carga nuevo es más de un 10% mayor que el estado de carga anterior,
se aplica una corrección de aprox. entre el 5 y el 20%, según el
valor de la diferencia, aunque en este caso sólo puede realizarse
otra corrección después de haber transcurrido un lapso de tiempo
determinado, que es al menos de aprox. 1 minuto, preferiblemente de
1 minuto a 30 minutos. Cuando el estado de carga nuevo es menor que
el estado de carga anterior se procede de la misma manera.
Claims (4)
1. Procedimiento para la determinación del
estado de carga de acumuladores mediante integración de las
cantidades de corriente que fluyen durante la carga y descarga,
determinándose un primer valor de estado de carga (LZ_{A})
mediante la integración continua de la corriente del acumulador y
determinándose un segundo valor de estado de carga (LZ_{B})
mediante la medición de la tensión de reposo (U_{0}) después de la
carga o descarga de una cantidad de carga (Q) definida que basta
para abandonar el intervalo del potencial mixto de los electrodos y
alcanzar una tensión de reposo del acumulador y mediante la
comparación de esta tensión de reposo (U_{0}) medida con curvas
características de la tensión de reposo determinadas de forma
empírica del acumulador, eligiéndose de los valores LZ así
obtenidos el valor que sea más fiable en las condiciones de servicio
previas, teniéndose en cuenta en la valoración de la fiabilidad de
(LZ_{A}), en particular, el paso de carga y en la valoración de
la fiabilidad de (LZ_{B}), en particular, la cantidad de carga (Q)
que ha fluido y ascendiendo la cantidad de carga (Q) a entre el 1 y
el 40%, preferiblemente entre el 5 y el 15%, de la capacidad nominal
del acumulador.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque en la valoración de (LZ_{A}), además
del paso de carga, se tiene en cuenta el tiempo transcurrido desde
el último calibrado.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque en la valoración del segundo estado de
carga (LZ_{B}) se tiene en cuenta el valor de la corriente que aún
fluye durante la determinación de U_{0}, conduciendo una
corriente residual mayor a la suposición de una menor
fiabilidad.
4. Procedimiento según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque en la valoración
del segundo valor de estado de carga (LZ_{B}) se tiene en cuenta
el estado de carga del acumulador, resultando una mayor fiabilidad
de estados de carga entre el 70 y el 90% y entre el 30 y el 40% que
de los demás estados de carga.
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