ES2281154T3 - Procedimiento para determinar el estado de carga y la capacidad de carga de alta corriente de baterias. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para determinar el estado de carga y la capacidad de carga de alta corriente de baterías, midiéndose en las pausas sin corriente antes y después de una fase de carga de la batería el transcurso de tiempo de la tensión U01 en vacío y el transcurso de tiempo de la tensión U02 en vacío de la batería y midiéndose la cantidad q de corriente transformada durante la fase de carga, caracterizado porque se calcula una tensión U001 de reposo para la pausa sin corriente antes de la fase de carga a partir del transcurso U01 de tensión en vacío y una tensión U002 de reposo para la pausa sin corriente tras la fase de carga a partir del transcurso U02 de tensión en vacío considerando parámetros específicos de la batería, porque a partir de una relación de la fórmula U002-U001 = C1 q/Q0 se determina la capacidad Q0 de ácido de la batería y porque para el estado SOC de carga relativo de la batería se emplea una adaptación lineal a la dependencia tensión de reposo/estado de carga de la fórmulaSOC= U002/C1-C2, de la que se calcula el estado de carga absoluto de la batería como SOC u Q0, siendo C1 una magnitud determinada empíricamente de de la característica del sistema de la batería, y C2 una magnitud seleccionada para la adaptación lineal del estado SOC1 de carga relativo a la dependencia tensión de reposo/estado de carga.
Description
Procedimiento para determinar el estado de carga
y la capacidad de carga de alta corriente de baterías.
La invención se refiere a un procedimiento para
determinar el estado de carga y la capacidad de carga de alta
corriente de baterías.
Para el usuario de baterías es de especial
importancia conocer el estado de carga y la capacidad de carga de
alta corriente de las baterías. Por ejemplo, para la capacidad de
una batería de arranque de arrancar un vehículo con un motor de
combustión son determinantes el estado de carga y el estado de
envejecimiento o la caducidad de la capacidad que se vislumbra de
la batería ya que con ello se limita la intensidad de corriente o
su rendimiento que se deduce de la batería de arranque. De especial
importancia es la determinación del estado de carga o su capacidad
de arranque de una batería en los casos en los que por ejemplo
existe un funcionamiento por motor intermitente ya que entonces en
los periodos inactivos del motor la red de a bordo del vehículo se
sigue haciendo funcionar con su consumidores, sin embargo el
generador no genera ninguna corriente. El control del estado de
carga y la capacidad de arranque de la batería debe garantizar en
tales casos que el contenido energético de la batería siempre sea
suficiente como para arrancar el motor.
Para medir el estado de carga de acumuladores se
conocen los procedimientos más variados. En muchos casos se emplean
aparatos de medición integrados (contadores
amperio-hora), considerándose la corriente de carga
dado el caso mediante la valoración con un factor de carga fijo.
Dado que la capacidad aprovechable de una batería depende en gran
manera de la magnitud de la corriente de descarga y de la
temperatura, con los procedimientos de este tipo tampoco puede
realizarse ninguna afirmación satisfactoria sobre la capacidad
aprovechable que aún puede extraerse de la batería.
Por el documento DE-PS 2242510
se conoce por ejemplo en un procedimiento para medir el estado de
carga el valorar la corriente de carga con un factor depende de la
temperatura y el estado de carga de la propia batería.
Del documento DE-OS 4007883 se
deduce un procedimiento en el que se determina la capacidad de
arranque de un acumulador mediante la medición de la tensión del
acumulador y la temperatura de la batería y la comparación con una
familia de curvas del estado de carga que es válida para el tipo de
batería que va a probarse.
Del documento DE-OS 19543874 se
deduce un procedimiento de cálculo para la característica de
descarga y medición de la capacidad remanente de una batería en el
que se mide también la corriente, tensión y temperatura,
aproximándose la característica de descarga mediante una función
matemática con superficie curvada.
El documento DE-PS 3901680
describe un procedimiento para controlar la capacidad de arranque en
frío de una batería de arranque en el que la batería de arranque se
carga periódicamente con una resistencia y se mide la tensión que
disminuye en la resistencia. Con ello se comprueba si la capacidad
de arranque en frío de la batería aún es suficiente. Para cargar la
batería de arranque sirve en este caso el proceso de arranque.
Finalmente del documento DE-OS
43 39 568 se desprende un procedimiento para determinar el estado de
carga de una batería de arranque de un vehículo en el que se miden
la corriente de la batería y la tensión de reposo y de éstas se
deduce el estado de carga, considerándose adicionalmente también la
temperatura de la batería. A este respecto se comparan entre sí las
corrientes de carga medidas durante diferentes espacios de tiempo y
de ello se determina una capacidad remanente.
En el documento de patente estadounidense
5.598.088 se describe un procedimiento para determinar el estado de
carga de una batería mediante la valoración de la corriente de carga
y de descarga. Un equilibrio de carga se realiza con ayuda de una
tensión de reposo de la batería medida en estados operativos
específicos. La cantidad de corriente transformada en la fase de
carga se mide también como corriente de descarga.
Con el procedimiento conocido no es posible en
este momento obtener datos lo suficientemente precisos sobre el
estado de carga de una batería, además muchos de estos
procedimientos conocidos son costosos y por tanto no pueden
emplearse sin más en el vehículo.
La invención se basa en el objetivo de indicar
un procedimiento para determinar el estado de carga y la capacidad
de arranque de una batería de arranque para vehículos que presente
una precisión práctica suficiente y también sea tan sencillo que el
sistema de detección del estado de la batería "haya aprendido"
ya tras poco tiempo todos los parámetros fijos necesarios de las
dependencias funcionales y sea capaz de realizar una predicción.
Este objetivo se soluciona con un procedimiento
del tipo mencionado al principio mediante las características
mencionadas en la parte caracterizadora de la reivindicación 1. En
las reivindicaciones dependientes se indican configuraciones
ventajosas de este procedimiento.
La designación indicada en la reivindicación 1
entre estado SOC (state of charge) de carga y tensión U_{00} de
reposo considera el hecho de que aunque la tensión de reposo aumenta
con estados de carga pequeños de manera no lineal con el SOC, sin
embargo luego pasa al intervalo del estado de carga más elevado
relevante para la práctica en un transcurso casi lineal. Por tanto
para el SOC se emplea un adaptación lineal a la dependencia estado
de carga/tensión de reposo en el intervalo de SOC entre 0,2 y 1 de
la fórmula SOC = U_{00}/C_{1} – C_{2} siendo C_{1}
aproximadamente 1,5 V y C_{2} aproximadamente 7,5 V (para baterías
de plomo de 6 celdas).
Según el procedimiento según la invención, en
las pausas sin corriente antes o después de una fase de carga se
realiza una medición del transcurso de tiempo de la tensión U_{0}
en vacío correspondiente del acumulador. A partir de esto se
calcula una tensión U_{00} de reposo real del acumulador
considerando parámetros específicos de la batería. Durante la fase
de carga se mide la cantidad q de corriente transformada y del
cociente de la diferencia de las tensiones de reposo calculadas de
esta manera y la conversión de carga se determina la denominada
capacidad Q_{0} de acidez del acumulador, o bien se registra el
cambio del estado de carga del acumulador. Para ello sirve la
relación
U_{002} -
U_{001} = C_{1} \cdot
q/Q_{0}
C1 es una magnitud determinada empíricamente de
las características del sistema del acumulador de plomo. Su valor
se sitúa en las baterías de arranque habituales en aproximadamente
1,5 V (baterías de 6 celdas).
La capacidad Q_{0} de acidez es la cantidad de
electricidad expresada en equivalentes eléctricos que se almacena
en el ácido sulfúrico existente en el acumulador.
La cantidad q de corriente transformada durante
la fase de carga se determina mediante la medición integrada de la
corriente i de la batería. La medición de la tensión en los periodos
de reposo de la batería se realiza preferiblemente en intervalos
temporales predeterminados. En este caso los intervalos temporales
se seleccionan de tal manera que se realiza un control continuo de
la batería, por ejemplo la medición puede realizarse en intervalos
de minutos.
Es conveniente normalizar todos los datos
medidos a una temperatura predeterminada de por ejemplo 25ºC. En el
cálculo de la tensión U_{00} de reposo real a partir de las
tensiones en vacío medidas se considera el estado de la tensión, el
transcurso de tiempo de la tensión del acumulador y la duración del
periodo de reposo previo. La tensión de reposo real se determina a
partir de dos tensiones de reposo medidas consecutivamente en una
pausa. Para obtener resultados satisfactorios en este cálculo
debería medirse el primer valor de tensión empleado tras un espacio
de tiempo mínimo de aproximadamente 2 horas y el segundo valor de
tensión empleado, tras otras 2 horas de reposo.
Para poder obtener datos adicionales sobre el
estado de la batería, especialmente para realizar predicciones dado
el caso sobre la futura capacidad de arranque se determina la
resistencia R_{I} interna de la batería mediante una carga de
corriente elevada, por ejemplo en el proceso de arranque. A partir
de la resistencia interna determinada y de los datos de la batería
anteriormente calculados puede derivarse un pronóstico para la
futura capacidad de arranque de la batería.
Durante el periodo de reposo de la batería se
realiza una medición de la tensión U_{0} en vacío de la batería.
Para la valoración de esta tensión en vacío se mantiene de manera
conveniente un tiempo de reposo mínimo que se sitúa en el intervalo
de aproximadamente 4 horas. Por periodo de pausa se entiende en este
caso un espacio de tiempo en el que la corriente es inferior a
aproximadamente 0,1 A en una batería de 12V/50 Ah. Tan pronto como
fluyan corrientes mayores comienza de nuevo el periodo de pausa a
partir del final de estas cargas.
En los casos en los que U_{0} tras más de una
hora aún es superior a 13,2 V (batería de 6 celdas) no necesita
realizarse una medición adicional dado que puede partirse de que
existe un estado de carga completa. Cuando el periodo de reposo se
sitúa entre 4 y 8 horas y la tensión de reposo disminuye en ese
caso, se obtiene la tensión U_{00} de reposo real a partir de la
siguiente relación
U_{00} =
U_{0}(4h) - \alpha(U_{0}(2h) -
U_{0}(4h))
siendo
\alpha = 2,5 - 3,5 para T = 25ºC
\alpha = 15 - 20 para T = -18ºC
De forma general puede determinarse U_{00} a
partir de U_{0} según la siguiente relación:
U_{00} =
U_{0}(t) + ((\alpha + 2) - ln(t)/ln(2))(U_{0}(t) -
U_{0}
(t/2))
(con el tiempo t en
horas)
Si aún se desea aumentar la precisión así puede
introducirse para \alpha también una dependencia de
U_{0}(t).
\newpage
Cuando durante el periodo de reposo aumenta la
tensión U_{0} de reposo el ajuste de la tensión de reposo
finaliza en general después de aproximadamente 4h, es decir:
U_{00} =
U_{0}(t>4h)
Dado que la determinación de la tensión U_{00}
de reposo real desde una descarga de la batería es por lo general
mucho más precisa que la medición partiendo de una carga precedente,
el valor calculado de la tensión de reposo real puede valorarse con
un factor de ponderación que es más alto para la descarga que para
la carga.
Es ventajoso normalizar los valores de tensión
medidos siempre a una temperatura determinada, por ejemplo a 25ºC.
Esta normalización se realiza según la fórmula
U_{00}(25^{o}C) = U_{00}(T) -
(T-25^{o}C) \cdot
\beta
El factor \beta = \approx 0,0014 V/grados es
válido para una batería de arranque de plomo de 6 celdas. Debe
aumentarse o reducirse de manera proporcional con un número
creciente de celdas.
La tensión U_{00} en vacío calculada a partir
de la última medición en cada caso es una medida para el estado SOC
de carga (state of charge) relativo de la batería, siendo:
SOC =
U_{00}(25^{o}C) / C_{1} -
C_{2}
A partir de dos tensiones de reposo determinadas
de esta manera y de la cantidad q = \intidt de electricidad
cargada en el acumulador o extraída del acumulador en el espacio de
tiempo intermedio puede estimarse la capacidad Q_{0} de ácido del
acumulador. Esta capacidad de ácido que se obtiene según
Q_{0} = C_{1}
\cdot q/(U_{002} -
U_{001})
de los valores medidos es el
equivalente de capacidad de la cantidad de ácido sulfúrico que puede
transformarse en teoría en el caso de no limitación mediante el
electrodo de batería en la descarga en el acumulador de plomo. El
valor de C_{1} se sitúa en aproximadamente 1,5 V y el valor de
C_{2} en aproximadamente 7,5 en una batería de 6
celdas.
El estado de carga absoluto de la batería en
amperios/segundos en este momento se obtiene de SOC \cdot
Q_{0}.
Para poder realizar adicionalmente aún
pronósticos sobre la capacidad de arranque de la batería en un
momento posterior a partir de los valores determinados hasta el
momento debe medirse también de manera complementaria la
resistencia R_{I} interna de la batería.
La resistencia interna de la batería se obtiene
mediante una medición de tensión y de corriente con una carga alta.
Para ello sirve especialmente una medición de tensión y de corriente
en un proceso de arranque.
Por ejemplo R_{I} resulta a partir de
R_{I} =
(U_{carga} - U_{0}) / (I_{carga} -
I_{0})
siendo U_{0} la tensión de reposo
medida por última vez e I_{0} la corriente básica medida por
última vez, producida por otros consumidores, como la iluminación
del vehículo,
etc.
El transcurso de la resistencia interna de una
batería de arranque en función del estado de carga es prácticamente
constante para estados de carga superiores al 50%, sin embargo
aumenta de manera intensa en el caso de estados de carga reducidos.
Para considerar este transcurso en la fijación de la capacidad de
arranque del acumulador la resistencia R_{I} interna se compone
de dos partes: una parte R_{1} solamente dependiente de la
temperatura casi independiente del estado de carga y un porcentaje
R_{2} variable de manera intensa con SOC para SOC < 0,5
R_{I} =
R_{1}(T) +
R_{2}(SOC)
Si el estado de carga es superior al 50% se
realiza la determinación de R_{1} a partir de:
R_{1} =
R_{I}
Si el estado de carga es inferior al 50% se
realiza la determinación de R_{2} a partir de:
R_{2} = R_{I}
-
R_{1}
Para R_{2} ha dado buen resultado una fórmula
R_{2}= exp(-b(SOC-SOC_{gr})) con b
\approx 21. SOC_{gr} se determina a partir de esto.
Si por ejemplo la determinación del estado de
carga debe comenzar con una batería nueva, así debe realizarse en
primer lugar una suposición sobre la capacidad de la batería de
arranque, por ejemplo 60 Ah, y sobre el límite de SOC_{gr}, por
ejemplo 0,2 y sobre la resistencia interna (por ejemplo 14
m\Omega). A partir de la tensión U_{00} de reposo inicial se
calcula el estado de carga tal como se mencionó anteriormente.
A partir del primer proceso de arranque se
determina la resistencia R_{I} interna y el estado SOC de carga.
Estos valores, si se determinan nuevamente en un momento posterior,
no se asumen totalmente sino que el último valor se corrige según
la calidad de la nueva medición. Cuanto mayor es la cantidad de
capacidad extraída o cargada entre las pausas más precisa es la
determinación de la capacidad de ácido y antes podrá asumirse
completamente el nuevo valor. Es conveniente asumir de manera fija
la resistencia interna determinada nuevamente, por ejemplo con el
10% de desviación. Cuando la valoración de la tensión de reposo real
produce un valor más alto para el estado de carga que el cálculo de
la suma de la determinación del estado de carga antigua y de la
variación del estado de carga medida, por seguridad y por motivos de
plausibilidad no se acepta todo el valor SOC calculado a partir de
U_{00} sino un valor corregido.
A partir de las relaciones según la invención
puede emitirse un pronóstico sobre la capacidad de rearranque de
una batería, por ejemplo, tras un periodo de pausa largo. Esto es
útil por ejemplo cuando por la noche se aparca un vehículo en
invierno y cuando con una temperatura exterior correspondientemente
baja debe determinarse si la batería todavía podrá arrancar el
vehículo de manera segura a la mañana siguiente, dado el caso, con
otras temperaturas.
Para solucionar el objetivo del pronóstico a
partir de las temperaturas externas mínimas almacenadas en el
sistema de los últimos tres días se forma una T_{M}
T_{M} =
Min(T_{min}) -
10^{o}C
La disminución adicional de 10ºC más es un
factor de seguridad y puede ajustarse en función de las relaciones
climáticas del emplazamiento.
A partir del último estado (SOC_{l}) de carga
conocido y de la variación q/Q_{o} del estado de carga determinada
en último lugar se forma un estado SOC de carga mediante
SOC = SOC_{l}
+
q/Q_{0}
A partir de SOC se determina U_{00} para la
temperatura supuesta tal como se mencionó anteriormente.
Con ello se conoce la tensión de reposo que ha
de esperarse para el proceso de arranque pronosticado. A partir de
la dependencia ya explicada de la resistencia R_{I} interna y el
estado SOC de carga se calcula la resistencia interna que ha de
esperarse en el momento del arranque.
Suponiendo la corriente I_{ini} de arranque
necesaria para un motor frío se produce con ello una tensión
U_{ini} = U_{00}- R_{I} x I_{ini} de arranque pronosticada.
A partir de esta relación puede determinarse si la tensión de
arranque que ha de esperarse es aún mayor que una tensión
predeterminada. Si la tensión de arranque es mayor que esta tensión
predeterminada a la mañana siguiente el motor aún puede arrancarse
de manera segura, sin embargo si la tensión es menor, entonces ya
no se da una seguridad suficiente y la batería debe cargarse. Con
este método de cálculo no solamente es posible pronosticar una
capacidad de rearranque de la batería sino que durante el
funcionamiento en marcha, por ejemplo en vehículos con un
funcionamiento de motor intermitente puede determinarse también el
momento de rearranque del motor.
Los valores (U_{0}, T, I) de medición de
partida necesarios para el procedimiento descrito pueden
determinarse de manera sencilla en el vehículo. Estos datos pueden
valorarse con sistemas de procesamiento de valores de medición
electrónicos conocidos en sí y activar dispositivos de visualización
correspondientes en el vehículo.
Claims (7)
1. Procedimiento para determinar el estado de
carga y la capacidad de carga de alta corriente de baterías,
midiéndose en las pausas sin corriente antes y después de una fase
de carga de la batería el transcurso de tiempo de la tensión
U_{01} en vacío y el transcurso de tiempo de la tensión U_{02}
en vacío de la batería y midiéndose la cantidad q de corriente
transformada durante la fase de carga, caracterizado porque
se calcula una tensión U_{001} de reposo para la pausa sin
corriente antes de la fase de carga a partir del transcurso
U_{01} de tensión en vacío y una tensión U_{002} de reposo para
la pausa sin corriente tras la fase de carga a partir del
transcurso U_{02} de tensión en vacío considerando parámetros
específicos de la batería, porque a partir de una relación de la
fórmula U_{002}-U_{001} = C_{1} q/Q_{0} se
determina la capacidad Q_{0} de ácido de la batería y porque para
el estado SOC de carga relativo de la batería se emplea una
adaptación lineal a la dependencia tensión de reposo/estado de
carga de la fórmula SOC= U_{002}/C_{1}-C_{2},
de la que se calcula el estado de carga absoluto de la batería como
SOC \cdot Q_{0}, siendo C_{1} una magnitud determinada
empíricamente de de la característica del sistema de la batería, y
C_{2} una magnitud seleccionada para la adaptación lineal del
estado SOC_{1} de carga relativo a la dependencia tensión de
reposo/estado de carga.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque en el cálculo de las tensiones U_{001}
y U_{002} de reposo a partir de la tensión U_{01} ó U_{02} en
vacío medidas se considera el estado de la tensión, el transcurso
de la tensión de tiempo y la duración del periodo de reposo.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la medición de la tensión U_{01} y
U_{02} en vacío durante los periodos de reposo se realiza en
intervalos fijos predeterminados.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los valores
U_{001} y U_{002} de tensión de reposo calculados se normalizan
a una temperatura predeterminada mediante factores de
corrección.
5. Procedimiento según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el cálculo de
las tensiones U_{001} y U_{002} en reposo se realiza a partir
de mediciones de las tensiones U_{01} ó U_{02} en vacío tras
un periodo de reposo mínimo de aproximadamente 2 horas.
6. Procedimiento según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque mediante la
carga de alta corriente de la batería se determina la resistencia
R_{I} interna como cociente a partir de las diferencias de las
tensiones y de las corrientes antes y durante la carga de alta
corriente.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque a partir de la
resistencia R_{I} interna de una temperatura predeterminada y el
estado de carga determinado por última vez se pronostica una
tensión de reposo para un momento posterior de la que con la
corriente necesaria conocida para arrancar un motor de combustión
se deriva una afirmación sobre la capacidad de la batería para
arrancar el motor de combustión.
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