ES2286369T3 - Procedimiento para determinar el desgaste de una bateria acumuladora y dispositivo de control. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para determinar el desgaste de una batería acumuladora mediante control del estado de carga de la batería acumuladora, caracterizado por: - la detección de eventos de descarga total cuando un valor del estado de carga es inferir a un valor de estado de carga mínimo predeterminado para la batería acumuladora, - la determinación de la duración (tau) de las descargas totales detectadas, y - la determinación de una magnitud (QV) de desgaste caracterizadora del desgaste que está en función del número (N) total de descargas totales detectadas hasta el momento y de su duración (T) total, de manera que la magnitud (QV) de desgaste aumenta con un número (N) total creciente y una duración (T) total creciente.
Description
Procedimiento para determinar el desgaste de una
batería acumuladora y dispositivo de control.
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La invención se refiere a un procedimiento para
determinar el desgaste de una batería acumuladora mediante el
control del estado de carga de la batería acumuladora.
La invención se refiere además a un dispositivo
de control para baterías acumuladoras con una unidad de medición
para la medición del estado de carga de magnitudes caracterizadoras
del estado de carga de la batería acumuladora.
La invención se refiere además a un programa
informático representado como producto con códigos de programación
para la realización de un procedimiento de este tipo.
Con la vida útil creciente de las baterías
acumuladoras recargables se produce desgaste especialmente durante
la operación de descarga y carga. Además de la operación de descarga
y carga, también existen otras condiciones operativas que aceleran
el desgaste, especialmente de los acumuladores de energía
electroquímicos. Entre éstas se encuentran, por ejemplo, en el caso
de acumuladores de plomo, la duración operativa total, es decir,
todo el tiempo transcurrido desde la puesta en marcha, incluidos
los periodos en los que el acumulador no se ha solicitado
eléctricamente.
Además, las altas temperaturas pueden
intensificar el desgaste durante los periodos sin solicitación
eléctrica y el desgaste ocasionado por la operación de descarga y
carga cíclica.
Para el empleo de las baterías acumuladoras es
deseable determinar el desgaste ocasionado por la pérdida de
capacidad acumuladora. Sin embargo, a este respecto la complejidad
de los procesos que se desarrollan en una batería acumuladora
representa un problema que sólo puede describirse difícilmente con
métodos científicos.
Por ejemplo, del documento DE19540827C2 se
conoce un procedimiento empírico para determinar el estado de
envejecimiento de una batería acumuladora, en el que se determina
previamente un campo característico del envejecimiento de la
batería específico de la batería. Mediante el registro de valores
instantáneos de las magnitudes de influencia del envejecimiento de
la batería, en el caso de la batería acumuladora controlada, se
determina, un valor de envejecimiento de la batería con ayuda del
campo característico.
Del documento DE3901680C3 se conoce un
procedimiento para controlar la capacidad de arranque en frío de una
batería de arranque en la que, con el motor de combustión interna
en marcha, se observa constantemente la tensión de carga y se
controla si se superan o no se alcanzan valores límite
predeterminados. De esta manera se detecta un defecto de la dínamo.
Además, se observa y se valora el desarrollo temporal de la caída de
tensión en los bornes de conexión del estárter eléctrico durante el
proceso de inicio. Sin embargo, en este caso no puede encontrarse
ninguna afirmación acerca de la capacidad acumuladora disponible de
la batería acumuladora.
En el documento DE3808559C2 se da a conocer un
procedimiento para controlar el límite de potencia de una batería
de arranque, en el que sumando la cantidad de carga alimentada y
gastada se elabora un balance de las cantidades de carga. A partir
de aquí, en combinación con el control de una tensión límite de los
bornes y de la temperatura, se valora el estado de carga de la
batería de arranque. Tampoco aquí puede encontrarse ninguna
afirmación acerca de la capacidad acumuladora máxima restante del
acumulador de energía.
En el documento DE10158029A1 se describe un
procedimiento para calcular un estado de carga dinámico de una
batería acumuladora, en el que se tienen en cuenta factores de
corrección para diferentes condiciones operativas de corriente,
temperatura y estado de carga. Se realizan ciclos de prueba en los
que se descarga totalmente la batería acumuladora Se determina el
número de ciclos de prueba y la reducción media de la capacidad por
ciclo de descarga y, a partir de esto, se calcula un valor del
estado de carga. Mediante la descarga completa se aumenta la
capacidad de la batería acumuladora.
El documento US5808445 describe un procedimiento
para determinar la sobrecarga de una batería mediante el registro
de valores de corriente y tensión durante el proceso de recarga.
Por tanto, el objetivo de la invención es crear
un procedimiento para determinar el desgaste de una batería
acumuladora mediante el control del estado de carga de la batería
acumuladora, con el que pueda calcularse de forma fiable y con
medios sencillos una magnitud de desgaste como medida para la
pérdida de capacidad de acumuladora.
El objetivo se alcanza, según la invención, con
el procedimiento del tipo genérico, mediante lo siguiente:
- -
- detección de eventos de descarga total cuando un valor del estado de carga es inferir a un valor de estado de carga mínimo predeterminado para la batería acumuladora,
- -
- determinación de la duración de las descargas totales detectadas, y
- -
- determinación de una magnitud de desgaste caracterizadora del desgaste que está en función del número total de descargas totales detectadas hasta el momento y de su duración total, de manera que la magnitud de desgaste aumenta con un número total creciente y una duración total creciente.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Se ha detectado que el desgaste de una batería
acumuladora depende directamente del número y la duración de los
eventos de descarga total acaecidos hasta el momento. Así, una
descarga total se presenta cuando, debido a una descarga por un
flujo de corriente externo o por descarga espontánea de la batería
acumuladora, se presenta un estado de carga que es más bajo que,
por ejemplo, el estado de carga más bajo previsto por el fabricante
de la batería acumuladora. En caso de una descarga total de este
tipo puede producirse un daño adicional que está ocasionado por
procesos y reacciones parásitos que no se desarrollan en un
intervalo de valores más alto o en el intervalo de valores
permitido del estado de carga, o sólo lo hacen con una tasa muy
pequeña y despreciablemente reducida para el uso de la batería
acumuladora. Sin embargo, en el estado de una descarga total se
presentan estas reacciones parásitas o aumenta la tasa de estas
reacciones parásitas a una magnitud perturbadora, de modo que se
ocasiona un desgaste.
Ahora, con el procedimiento según la invención
puede determinarse el desgaste de forma sencilla aprovechando el
conocimiento de que el desgaste de una batería acumuladora aumenta
con el número de descargas totales, es decir, el número de procesos
de descarga en los que se ha estado por debajo del estado de carga
más bajo permitido, y con la duración total de todas las descargas
totales que se han producido hasta el momento.
Resulta especialmente ventajoso determinar la
magnitud de desgaste de tal manera que aumente de forma
sobreproporcional con el número total de la descarga total. En este
caso se utiliza el conocimiento adicional de que el progreso de un
desgaste en ciertas circunstancias tiene lugar de forma progresiva
dependiendo del modelo de la batería acumuladora. La determinación
del desgaste se basa en este caso en el fenómeno de que una descarga
total que se produce conduce a un desgaste tanto más alto, cuanto
más descargas totales se hayan producido ya en total. Este efecto
intensificador puede explicarse por un deterioro previo de la
batería acumuladora debido a eventos de descarga total previos que
conducen a una intensificación de las reacciones parásitas.
En una forma de realización del procedimiento se
determina la magnitud del desgaste preferiblemente de tal forma que
aumenta de forma sobreproporcional con la duración total de las
descargas totales. En este caso se aprovecha que para ciertos
modelos de baterías acumuladoras el desgaste aumenta con la duración
total de las descargas totales, es decir, la suma de la duración de
todas las descargas totales que se han presentado. La duración de
una descarga total es el intervalo de tiempo durante el cual se
producen las reacciones parásitas. A este respecto, se aprovecha el
conocimiento de que el desgaste avanza progresivamente en función
del modelo de la batería acumuladora, es decir, una prolongación de
la duración total de las descargas totales puede conducir a un
desgaste tanto mayor cuanto más larga haya sido ya la duración total
de las descargas totales. Este efecto intensificador puede
explicarse por un deterioro previo ocasionado por periodos de
descargas totales anteriores que conducen a una intensificación de
las reacciones parásitas.
Preferiblemente, para la suma del número total
de descargas totales sólo se valoran los eventos de descargas
totales cuya duración supera una duración mínima definida. Por
tanto, sólo se tienen en cuenta descargas totales seleccionadas
que, debido a su longitud, conducen a un deterioro previo de la
batería acumuladora.
A este respecto, la duración mínima definida se
determina preferiblemente en función de la temperatura ambiente o
la temperatura de la batería. En concreto, se ha mostrado que el
efecto de las descargas totales en ciertas circunstancias puede
depender de la temperatura.
La duración mínima definida debería estar en el
intervalo de aproximadamente 0,1 a 100 horas.
A partir de la magnitud de desgaste determinada
de esta manera puede calcularse entonces la pérdida de capacidad
acumuladora de la batería acumuladora. Para esto, se determina la
pérdida de capacidad acumuladora de forma proporcional a la
magnitud de desgaste determinada partiendo de una capacidad
acumuladora en un instante temporal definido anterior,
preferiblemente la capacidad acumuladora de la batería acumuladora
en el estado nuevo.
Sin embargo, en lugar de la pérdida de capacidad
acumuladora también puede deducirse de la magnitud de desgaste un
cambio de otra magnitud característica.
Preferiblemente, una primera proporción de
desgaste dependiente del número total de descargas totales
detectadas en relación con la magnitud de desgaste se sitúa, tras
una primera descarga total, en el intervalo de valores entre 0,1% y
50%, preferiblemente entre 1% y 20%, de la capacidad acumuladora de
la batería acumuladora en un instante temporal definido anterior,
preferiblemente el estado nuevo. El valor de la primera proporción
de desgaste dependiente del número total es, tras la primera
descarga total y a temperaturas ambiente o de la batería de
aproximadamente 20ºC, preferiblemente de 0,3% a 5%.
Una segunda proporción de desgaste dependiente
de la duración total de las descargas totales detectadas en
relación con la magnitud de desgaste tiene, tras una duración total
de aproximadamente 100 horas, preferiblemente un valor entre 0,1% y
100%, preferiblemente entre 0,1% y 20%, de la capacidad acumuladora
de la batería acumuladora en un instante temporal definido
anterior, preferiblemente el estado nuevo. A temperaturas
ambientales o de la batería de aproximadamente 20ºC, el valor de la
segunda proporción de desgaste dependiente de la duración total
tras una duración total de aproximadamente 100 horas se sitúa
preferiblemente en el intervalo de 0,3% y 5%.
Los valores citados se han mostrado adecuados
especialmente para acumuladores de plomo.
En este caso, la magnitud de desgaste se
determina preferiblemente a partir de la suma de una primera
proporción de desgaste dependiente del número total de las
descargas totales y una segunda proporción de desgaste dependiente
de la duración total de las descargas totales. A este respecto, la
primera proporción de desgaste se calcula a partir de una primera
función que se comporta de forma superproporcional respecto al
número total. Por el contrario, la segunda proporción de desgaste
se calcula a partir de una segunda función que se comporta de forma
lineal o superproporcional respecto a la duración total. Por tanto,
para determinar la magnitud de desgaste se tienen en cuenta el
número total y la duración total de las descargas totales de forma
independiente entre sí mediante funciones independientes.
Para la realización del procedimiento está
previsto preferiblemente un dispositivo de control para baterías
acumuladoras con una unidad de medición para la medición del estado
de carga de las magnitudes caracterizadoras de la batería
acumuladora. La unidad de control tiene una unidad de valoración
preferiblemente programable asistida por ordenador para determinar
el estado de carga de la batería acumuladora a partir de las
magnitudes medidas y para determinar el desgaste de la batería
acumuladora configurada para la realización del procedimiento
anteriormente descrito. Esto puede realizarse de forma conocida por
el experto mediante programación o uso de circuitos lógicos
conocidos por el experto.
Asimismo, el objetivo se alcanza gracias a un
programa informático representado como producto con códigos de
programación, en el que los códigos de programación están
configurados para la realización del procedimiento anteriormente
descrito cuando el programa informático se realiza con ayuda de un
microprocesador. La representación del algoritmo programado puede
realizarse, por ejemplo, en un disquete o como flujo de datos de
programación en una red de datos o similar.
A continuación, se explica detalladamente la
invención mediante los dibujos adjuntos. Muestra:
La fig. 1 un dibujo esquemático de una batería
acumuladora con un dispositivo de control para la medición del
estado de carga y la determinación según la invención del
desgaste.
La figura 1 permite observar un dibujo
esquemático de una batería 1 acumuladora que se controla con un
dispositivo 2 de control de forma continua durante toda la vida
útil. En este caso, el estado de carga de la batería acumuladora se
mide de forma continua con una unidad 3 de medición y se comprueba
si se presenta un evento de descarga total. Un evento de descarga
total se da cuando el estado de carga está por debajo de un estado
de carga mínimo indicado por el fabricante de la batería
acumuladora. En especial, se observa la tensión de la batería y se
comprueba si la tensión de la batería cae por debajo de una tensión
mínima definida para detectar un evento de descarga total.
Entonces, se calcula el número total y la
duración total de los eventos de descarga total acaecidos hasta el
momento durante la vida útil de la batería acumuladora, y, a partir
de esto, se determina la magnitud de desgaste. El desgaste de la
batería 1 acumuladora o la magnitud Q_{V} de desgaste
correspondiente aumenta en este caso con el número N total
creciente de descargas totales detectadas y la duración T total
creciente. En este caso, el cálculo de la magnitud Q_{V} de
desgaste puede realizarse sumando una primera proporción Q_{VN}
de desgaste y una segunda proporción Q_{VT} de desgaste,
calculándose la primera proporción Q_{VN} de desgaste a partir de
una función f(N) que depende del número N total de descargas
totales detectadas. La segunda proporción Q_{VT} de desgaste se
calcula a partir de una segunda función g(T) que depende de
la duración total de las descargas totales detectadas. El valor de
las funciones f(N) y g(T) aumenta preferiblemente con
el número N creciente o la duración T creciente, es decir, d
f(N)/d N > 0 y
d g(T)/d T > 0.
d g(T)/d T > 0.
En una forma de realización, la primera
proporción Q_{VN} de desgaste aumenta progresivamente con el
número N de descargas totales creciente. La función f(N) o
su desarrollo según el número N total contiene al menos un término
N^{x}, donde x > 1. La función puede representarse, por
ejemplo, como f(N) \sim c_{1} N^{2}, donde c es una
constante.
No obstante, en el caso del número N total sólo
se valoran los eventos de descarga total cuya duración \tau
supera una duración \tau_{\text{mín}} mínima definida. La
duración \tau_{\text{mín}} mínima definida está preferiblemente
en el intervalo entre 0,1 y 100 horas. La duración
\tau_{\text{mín}} mínima definida debería definirse en función
de la temperatura ambiental o la temperatura de la batería y se
elige, para una temperatura ambiental de aproximadamente 20ºC,
preferiblemente entre 10 y 100 horas.
La segunda proporción Q_{VT} de desgaste en
relación con la magnitud Q_{V} de desgaste, que depende de la
duración T total de los eventos de descarga total, se calcula
preferiblemente mediante una función g(T) que aumenta de
forma lineal o progresiva con la duración T total de los eventos de
descarga total detectados durante la vida útil de la batería
acumuladora. Por tanto, la función g(T), o su desarrollo
según la duración T total variable, contiene al menos un término
T^{Y}, donde Y \geq 1. Se ha mostrado ventajosa una función
g(T) \sim c2\cdotT, donde la constante C2 aumenta de
forma lineal con la duración T total.
La primera y segunda proporción Q_{VN},
Q_{VT} de desgaste deberían calcularse en función de la
temperatura de la batería o la temperatura ambiental. A este
respecto, resulta ventajoso que la primera y segunda proporción
Q_{VN}, Q_{VT} de desgaste se normalicen a una temperatura de
referencia, por ejemplo, la temperatura ambiental de 20ºC. En caso
de esta temperatura de referencia de 20ºC, el valor de la primera
proporción Q_{VN} de desgaste tras la primera descarga total
debería situarse en el intervalo de 0,3% a 5%. La segunda
proporción Q_{VT} de desgaste, a la temperatura de referencia y
tras una duración T total de 100 horas, debería tener un valor
también en el intervalo de 0,3% a 5%.
La unidad 2 valoración tiene opcionalmente otros
medios, especialmente códigos de programación para, a partir de la
magnitud de desgaste Q_{V} = Q_{VN} + Q_{VT}, determinar la
capacidad acumuladora actual o también otras propiedades
caracterizadoras de la batería acumuladora que están sometidas al
desgaste. Para ello, dado el caso, se multiplica la magnitud
Q_{V} de desgaste por un factor de la capacidad Q_{N} inicial de
la batería acumuladora en el estado nuevo
Q_{real} =
Q_{N} -
c_{3}Q_{V}
donde c_{3} es un factor de
proporcionalidad constante. Por tanto, la magnitud Q_{V} de
desgaste es una medida directa de la pérdida de capacidad
acumuladora de la batería
acumuladora.
El procedimiento puede combinarse con otros
métodos de determinación del desgaste que posiblemente tienen en
cuenta otros efectos físicos que contribuyen al desgaste de las
baterías acumuladoras distintos de la descarga total. La capacidad
Q_{real} acumuladora actual se calcula entonces a partir de la
capacidad Q_{N} inicial de la batería acumuladora en el estado
nuevo y la magnitud Q*_{v} de desgaste combinada según:
Q_{real} =
Q_{N} - c_{4} \cdot
Q*_{V}
donde c_{4} es un factor de
proporcionalidad
constante.
Claims (15)
1. Procedimiento para determinar el desgaste de
una batería acumuladora mediante control del estado de carga de la
batería acumuladora, caracterizado por:
- -
- la detección de eventos de descarga total cuando un valor del estado de carga es inferir a un valor de estado de carga mínimo predeterminado para la batería acumuladora,
- -
- la determinación de la duración (\tau) de las descargas totales detectadas, y
- -
- la determinación de una magnitud (QV) de desgaste caracterizadora del desgaste que está en función del número (N) total de descargas totales detectadas hasta el momento y de su duración (T) total, de manera que la magnitud (QV) de desgaste aumenta con un número (N) total creciente y una duración (T) total creciente.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por la determinación de la magnitud (Q_{V})
de desgaste de tal manera que la magnitud (Q_{V}) de desgaste
aumenta de forma superproporcional con el número (N) total de
descargas totales.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado por determinar la magnitud (Q_{V}) de
desgaste de tal manera que la magnitud (Q) de desgaste aumenta de
forma superproporcional con la duración (T) total de las descargas
totales.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para la
suma del número (N) total sólo se valoran los eventos de descarga
total cuya duración (\tau) supera una duración
(\tau_{\text{mín}}) mínima deter-
minada.
minada.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque la duración (\tau_{\text{mín}})
mínima determinada se determina en función de la temperatura
ambiental o la temperatura de la batería.
6. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 5,
caracterizado porque la duración
(\tau_{\text{\text{mín}}}) mínima determinada se determina a la
temperatura ambiental y en el intervalo de 0,1 a 100 horas.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado por determinar
una pérdida de la capacidad (Q_{N}) acumuladora de la batería
acumuladora proporcional a la magnitud (Q_{V}) de desgaste
determinada, partiendo de una capacidad (Q_{nueva}) acumuladora en
un instante temporal definido anterior.
8. Procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque la capacidad (Q_{nueva}) acumuladora
en el instante temporal definido anterior es la capacidad
(Q_{nueva}) acumuladora de la batería acumuladora en el estado
nuevo, y porque la magnitud (Q_{V}) de desgaste en el instante
temporal definido se ajusta a cero.
9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8,
caracterizado por determinar una primera proporción
(Q_{VN}) de desgaste, dependiente del número (N) total de
descargas totales detectadas, en relación con la magnitud (Q_{V})
de desgaste tras una primera descarga total en un valor entre 0,1% y
50%, preferiblemente entre 1% y 20%, de la capacidad (Q_{nueva})
acumuladora de la batería acumuladora en el instante temporal
definido anterior.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado por determinar el valor de la proporción
(Q_{VN}) de desgaste dependiente del número (N) total, tras una
primera descarga total y con un temperatura ambiental o temperatura
de la batería en un valor en el intervalo de 20ºC, entre 0,3% y
5%.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por determinar una
segunda proporción (Q_{VT}) de desgaste, dependiente de la
duración (T) total de las descargas totales detectadas, en relación
con la magnitud (Q_{V}) de desgaste, tras una duración (T) total
de 100 horas, a un valor entre 0,1% y 100%, preferiblemente entre
0,1% y 20% de la capacidad (Q_{nueva}) acumuladora de la batería
acumuladora en el instante temporal definido anterior.
12. Procedimiento según la reivindicación 11,
caracterizado por determinar el valor de la segunda
proporción (Q_{VT}) de desgaste dependiente de la duración (T)
total, tras una duración (T) total de 100 horas y a una temperatura
ambiente o temperatura de la batería en el intervalo de 20ºC, entre
0,3% y 5%.
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado por determinar la
magnitud (Q_{V}) de desgaste a partir de la suma de una primera
proporción (Q_{VN}) de desgaste dependiente del número (N) total
de descargas totales y una segunda proporción (Q_{VT}) de desgaste
dependiente de la duración (T) total de las descargas totales,
calculándose la primera proporción (Q_{VN})de desgaste a
partir de una primera función (f(N)) que se comporta de
forma lineal o superproporcional respecto al número N total, y
calculándose la segunda proporción (Q_{VT}) de desgaste a partir
de una segunda función (g(T)) que se comporta de forma
lineal o superproporcional respecto a la duración (T) total.
14. Dispositivo de control para baterías
acumuladoras con una unidad de medición para la medición de
magnitudes caracterizadoras del estado de carga de la batería
acumuladora, caracterizado por una unidad de valoración para
determinar el estado de carga de la batería acumuladora a partir de
magnitudes medidas, y la determinación del desgaste de la batería
acumuladora con el procedimiento según una de las reivindicaciones
precedentes.
15. Programa informático con códigos de
programación, caracterizado porque los códigos de
programación están configurados para la realización de todas las
etapas del procedimiento según una de las reivindicaciones
precedentes cuando el programa informático se ejecuta con ayuda de
un microprocesador.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| DE10249921A DE10249921B4 (de) | 2002-10-26 | 2002-10-26 | Verfahren zur Ermittlung des Verlustes an Speicherkapazität einer Bleibatterie und Überwachungseinrichtung |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| ES2286369T3 true ES2286369T3 (es) | 2007-12-01 |
Family
ID=32049620
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES03020666T Expired - Lifetime ES2286369T3 (es) | 2002-10-26 | 2003-09-11 | Procedimiento para determinar el desgaste de una bateria acumuladora y dispositivo de control. |
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