ES2298113T3 - Dispositivo y metodo para determinar el estado de carga. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para determinar el estado de la carga de una batería (10) basándose en un voltaje de carga y en una corriente de carga, que comprende: medios de almacenamiento (14c) para almacenar una relación entre un voltaje de carga, una corriente de carga, y el estado de la carga (SOC); medios de determinación en el tiempo (14b) para determinar si es el instante para ejecutar una corrección de la relación, mediante la determinación de si una cantidad de la electricidad de carga/descarga de la batería (10) ha sido excedida con respecto a un valor predeterminado; medios de carga para cargar la batería (10) en el estado de carga total, cuando los medios de determinación en el tiempo determinen que es el instante para ejecutar la corrección; medios de detección para detectar el estado de carga (SOC) de la batería (10), basándose en la corriente de descarga suministrada para el accionamiento de la carga a partir del estado de carga total; medios de corrección (14b) para corregir la relación almacenada en los medios de almacenamiento (14c) basándose en el voltaje de carga (Vc), y en la corriente de carga (Ic) en el proceso de carga a partir del estado de carga detectado (SOC); y medios de determinado del estado (14b) para determinar el estado de carga (SOC) de la batería (10) basándose en la relación corregida por los medios de corrección y el voltaje de carga y la corriente de carga.
Description
Dispositivo y método para determinar el estado
de carga.
La invención está relacionada con un dispositivo
y un método para determinar el estado de carga de una batería, y
más en particular con un dispositivo y un método para determinar el
estado de carga de una batería, basándose en el voltaje de carga y
en la corriente de carga.
Es conocida una técnica para determinar el
estado de carga de una batería, basándose en el voltaje de carga y
en la corriente de carga.
Por ejemplo, la solicitud de la publicación de
patentes japonesas abierta para consulta por el publico nº HEI
4-372536 expone una técnica en la cual se carga una
batería con (1) un voltaje inferior al voltaje de carga apropiado,
(2) con el voltaje apropiado, y (3) con un voltaje más alto que el
voltaje apropiado, y determinándose un estado de la carga de la
batería, mediante la comparación de las corrientes de carga
correspondientes a los voltajes de carga (1) y (3) con el valor de
la corriente generada cuando la batería sea normal y en el estado de
carga completada.
En general, el voltaje de carga, la corriente de
carga, y el estado de la carga de la batería tienen una relación
predeterminada (característica de carga). Dicha característica de
carga se utiliza por la técnica correspondiente anteriormente
descrita para determinar el estado de la carga de una batería. No
obstante, como resultado de los repetidos ciclos de carga/descarga
o bien el deterioro a través del tiempo, varía la característica de
carga (es decir, la relación entre el voltaje de carga, la corriente
de carga, y el estado de la carga). En consecuencia, si se utiliza
una característica de carga predeterminada como la base para
determinar el estado de la carga, será difícil la determinación de
alta precisión con respecto al estado de la carga.
El documento GB 2321315 describe la estimación
de una capacidad total de trabajo de una batería que contiene un
gran número de células individuales, en donde cada una tiene su
propia unidad de monitorización, las cuales están conectadas en
serie para comunicarse con un control central y un procesador de
monitorización. Periódicamente, la batería se descarga
completamente para el acondicionamiento, y en este instante se
realiza una medida de la capacidad total máxima a utilizar para
registrar la capacidad en curso bajo condiciones de trabajo
normales. Se mide la capacidad total primeramente mediante la carga
total de la batería, descargándola a continuación hasta que se
alcance un voltaje terminal predeterminado, indicando esto la
descarga completa. Se monitorizan el tiempo de la descarga y la
corriente de la descarga. A partir de estos datos se calcula la
carga total. Además de ello, se determina la capacidad restante de
la batería, como un porcentaje de la capacidad total de la batería,
mediante la monitorización de la cantidad de corriente que es
absorbida y/o suministrada a la batería, puesto que se determinó la
ultima vez la capacidad restante de la batería. El sistema descrito
en este documento incluye el inconveniente de que la batería no es
utilizable realmente durante el periodo de carga total y el ciclo de
descarga.
El documento US 5321627 describe un monitor de
batería, el cual monitoriza los parámetros operativos de una
batería para proporcionar una indicación del estado absoluto de
carga, el estado relativo de carga y la capacidad de la batería
bajo la descarga, reposo y recarga. El monitor de la batería incluye
un sensor de corriente para detectar la corriente de la batería, un
sensor de voltaje para detectar el voltaje de la batería, y un
sensor de temperatura para detectar la temperatura de la batería. Un
procesador calcula los parámetros de la batería, utilizando un
proceso iterativo basado en unas relaciones predeterminadas,
utilizando constantes determinadas empíricamente, y parámetros
determinados en la iteración de procesamiento inmediata almacenados
en la memoria.
El documento US 5939855 describe la
monitorización de un sistema de inversor/cargador y alternador. Se
monitoriza un factor de la eficiencia de carga mientras que se
carga la batería, y se suministra energía eléctrica de corriente
alterna a los aparatos conectados. Se almacenan en la memoria
ciertos datos de la carga relacionados con la carga de la batería,
incluyendo un factor de eficiencia de la carga en curso, la
capacidad del nivel de carga de amperios-hora
máximos de la batería y el estado presente del nivel de carga de
amperios-hora, descargando entonces la batería, y
registrando la capacidad del nivel de carga de
amperios-hora cuando comienza la recarga,
completando la recarga y almacenando la cantidad de
amperios-hora utilizados para recargar,
determinando un factor de eficiencia de la carga inmediata,
dividiendo los amperios-hora utilizados para
recargar la batería por la diferencia entre la capacidad del nivel
de carga de amperios-hora máximos y el nivel de
carga de amperios-hora registrados más bajos,
promediando el factor de eficiencia de carga presente con el factor
de eficiencia de carga inmediata, para generar el resultado que se
almacena en la memoria como el factor de eficiencia de carga
presente, y el estado presente se repone a cero para la capacidad
del nivel de carga de amperios-hora máximos de la
batería.
En consecuencia, es un objeto de la invención el
proporcionar un dispositivo capaz de determinar siempre el estado
de carga de una batería con una alta precisión, sin importar los
ciclos repetidos de carga/descarga y el deterioro de la batería a
través del tiempo.
El dispositivo para determinar el estado de
carga de acuerdo con un aspecto de la invención incluye un
dispositivo de memoria que almacena la relación entre un voltaje de
carga, una corriente de carga y el estado de la carga de la
batería. El dispositivo incluye también un controlador que controla
el estado de carga, un detector que detecta el voltaje de carga y
la corriente de carga en un estado predeterminando de la carga
obtenida mediante la descarga de la batería a partir de un estado
de carga total.
El dispositivo incluye también un dispositivo de
cambio que cambia la relación almacenada en la memoria, basándose
en el voltaje de carga detectado y en la corriente de carga.
En consecuencia, es posible la determinación de
alta precisión con respecto al estado de carga de una batería, sin
importar el estado de deterioro de la batería.
Aunque este sumario no describe todas las
características de la presente invención, se comprenderá que
cualquier combinación de las características expuestas en las
reivindicaciones adjuntas estará dentro del alcance de la presente
invención.
Los objetos anteriores y adicionales,
características y ventajas de la invención llegarán a ser evidentes
a partir de la siguiente descripción de una realización preferid con
referencia a los dibujos adjuntos, en donde los numerales iguales
se utilizan para representar elementos iguale, y en donde:
la figura 1 es un diagrama que ilustra una
construcción del circuito de una realización de la invención;
la figura 2 es un diagrama de bloques que
ilustra una construcción de un dispositivo de determinación que se
muestra en la figura 1;
la figura 3 es un gráfico que indica una
relación entre el voltaje de carga, la corriente de carga, y el
estado de la carga;
la figura 4 es un diagrama de flujo de un
proceso de corrección de la invención; y
la figura 5 es un gráfico que indica el estado
de la carga después de la corrección.
Se describirá de ahora en adelante una
realización preferida de la invención, con referencia a los dibujos
adjuntos, en conjunción con una batería instalada en un
vehículo.
La figura 1 muestra una construcción de un
circuito de la realización. La batería 10 está conectada a un
generador de energía eléctrica 12 (por ejemplo, un alternador de un
vehículo). Aunque no se muestra, una carga tal como un
motor/generador (M/C) o similar se encuentra conectada a la batería
10, siendo accionada de acuerdo con las necesidades.
El dispositivo 14 de determinación está
conectado a la batería 10, y determina si la batería 10 tiene una
cantidad de electricidad restante suficiente para accionar la carga.
Si la cantidad de electricidad restante de la batería 10 no es
suficiente, el dispositivo de determinación 14 generará una señal de
control CONT para el generador de energía 12, para poder operar el
generador de energía 12, cargando por tanto la batería 10. Se
prefiere que el voltaje de carga de la batería 10 se configure de
acuerdo con la temperatura de la batería 10 detectada por un sensor
de temperatura
16.
16.
El estado de la carga de la batería 10 puede
determinarse mediante el dispositivo de determinación 14, basado en
el voltaje de carga y en la corriente de carga de la batería 10. Es
decir, la característica de carga (relación entre el voltaje de
carga, la corriente de carga, y el estado de carga (SOC) se
encuentran prealmacenados. El voltaje de carga y la corriente de
carga en el instante de la carga se detectan mediante un sensor de
voltaje 18 y un sensor de corriente 20, respectivamente. Basándose
en el voltaje detectado de carga, la corriente de carga detectada,
y la característica de carga prealmacenada, puede determinarse el
estado de la carga de la batería 10.
No obstante, cuando la batería se deteriora
después de serie repetida de cargas/descargas, la característica de
carga en curso llega a ser diferente de la característica de carga
pre-almacenada, de forma que llega ser imposible la
determinación precisa del estado de carga.
En consecuencia, el dispositivo de determinación
14 en esta realización corrige la característica de carga
prealmacenada con una sincronización de tiempos predeterminada, y
determina el estado de carga de la batería 10, basándose en la
característica de carga corregida.
La figura 2 es un diagrama de bloques que
ilustra una construcción del dispositivo de determinación 14
mostrado en la figura 1. El dispositivo de determinación 14 incluye
una interfaz (I/F) 14a para transmitir y recibir señales desde un
dispositivo externo, y además incluye una CPU 14b, una memoria ROM
14c, y una memoria RAM 14d. Estos componentes están interconectados
por un bus común de datos.
La memoria ROM 14c almacena la característica de
carga predeterminada de la batería 10. La CPU 14b determina el
estado de la carga de la batería 10, basándose en un voltaje de
carga detectado y una corriente de carga detectada de la batería
10, mediante la referencia a la característica de carga almacenada
en la memoria ROM 14c.
La figura 3 es un gráfico que indica las
características de carga almacenadas en la memoria ROM 14c. En el
gráfico, el eje horizontal indica el voltaje de carga (V), y el eje
vertical indica la corriente de carga (A). El gráfico indica las
características de carga utilizando el estado de la carga (SOC) como
parámetro (en aras de una ilustración simplificada, solo se indican
las características de carga de SOC = 50%, 70% y del 90%). Si el
voltaje de carga permanece sin cambiar, la corriente de carga
disminuirá con incrementos en el nivel del estado de la carga.
Cuando el SOC = 100% (es decir, durante el estado de carga total),
la corriente de carga asume un valor pequeño constante. En
consecuencia, si dichas relaciones con respecto a la pluralidad de
estados de carga se almacenan en la forma de un mapa, llegará a ser
posible determinar un estado único de la carga de la bateria10,
basado en un voltaje de carga detectado y una corriente de carga
detectada.
La memoria RAM 14d almacena los factores de
corrección para corregir las características de carga almacenadas
en la memoria ROM 14c. Cada factor de corrección se calcula por la
CPU 14b a través de un proceso descrito más adelante, y se
almacena en la memoria RAM 14d. Utilizando los factores de
corrección, la CPU 14b corrige las relaciones almacenadas en la
memoria ROM 14c. Basándose en las relaciones corregidas, la CPU 14b
determina el estado presente de carga de la batería 10. Los
factores de corrección almacenados en la memoria RAM 14d se
configuran inicialmente a "1" (es decir, sin corrección). La
CPU 14b actualiza los factores de corrección de la forma siguiente.
Es decir, la CPU 14b calcula un nuevo factor de corrección con una
sincronización de tiempos predeterminada, y almacena el nuevo
factor de corrección en la memoria RAM 14d. Debido a la
actualización de los factores de corrección, el estado de carga
puede ser determinado con alta precisión, sin importar los cambios
de la batería 10 a través del tiempo.
La figura 4 muestra un diagrama de flujo de un
proceso de corrección ejecutado por el dispositivo 14 de
determinación en esta realización. En primer lugar, la CPU 14b
determina si es el momento de ejecutar un cálculo para establecer
los factores de corrección almacenados en la memoria RAM 14d (S101).
Esta determinación puede realizarse basándose en si la batería 10
se ha deteriorado hasta un nivel tal que las características de
carga prealmacenadas de la batería 10 no puedan ya mantenerse (más
específicamente, si la cantidad de electricidad cargada/descargada
de la batería 10 ha excedido de un nivel predeterminado). La
cantidad de electricidad cargada/descargada puede evaluarse
indirectamente mediante el cómputo del número de ciclos de
carga/descarga, y determinando si el cómputo excede de un número
predeterminado, o mediante la determinación de si el número de veces
de funcionamiento se ha excedido de un número predeterminado.
Cuando el factor de corrección de calculo de la
temporización se ha alcanzado, la CPU 14b da salida
subsiguientemente a la señal de control CONT, la cual se aplica al
generador de energía 12, con el fin de cargar totalmente la batería
10 (SOC = 100% (S102). La razón de esta carga total temporal de la
batería 10 es que si se inicia la descarga en el estado de carga
total, el estado de carga de la batería 10 puede estimarse con
excelente precisión mediante la detección de la corriente de carga.
Si la batería 10 está totalmente cargada o no podría determinarse
mediante la determinación de si la corriente de carga ha alcanzado
un valor de corriente pequeña y constante, basándose en la
detección mediante el sensor de corriente 20.
Después de configurar la batería 10 en el estado
de carga total, la CPU 14b acciona la carga (por ejemplo, un
motor/generador (M/G) conectado a la batería 10 (S103).
Subsiguientemente, la CPU 14b detecta la corriente de descarga a
través del uso del sensor de corriente 20, mientras que acciona la
carga, y realiza una estimación del estado de carga de la batería
10 (S104). Más específicamente, la CPU 14b detecta la corriente de
descarga mientras que acciona el M/G, e integra el valor de la
corriente para determinar la capacidad
(Amperios-Hora), y resta la capacidad calculada de
la capacidad de la batería 10 en estado de carga total, estimando
por tanto el estado de la carga. Se prefiere también que la
relación entre la corriente de descarga y el estado de carga (SOC)
se almacene como un mapa, y que el estado de la carga (SOC) sea
estimado basándose en la corriente de descarga detectada mediante
la referencia al mapa.
Después de estimar el estado presente de carga
(SOC) como el resultado de la descarga a partir del estado de carga
total, la CPU 14b da salida a la señal de control CONT al generador
de energía 12, para configurar el voltaje de carga a Vc, y cargar
la batería 10 con el voltaje de carga Vc (S105). A continuación, la
corriente de carga Ic en el instante de la operación de carga con
el voltaje de carga Vc es detectada por el sensor de corriente 20
(S106). Utilizando el voltaje de carga Vc y la corriente de carga
Ic, la CPU 14b calcula un factor de corrección (S107). El estado
presente de carga se habrá estimado por el procesamiento de S104, y
el voltaje de carga Vc y la corriente de carga Ic se habrán obtenido
a través de los procesamientos de S105 y S106. En consecuencia,
después de leer el valor de la corriente de carga Ico en el estado
inicial de la carga a partir del mapa almacenado en la memoria ROM
14c, la CPU 14b será capaz de calcular un factor de corrección
\alpha(Vc) (\alpha(Vc) = Ico/Ic).
Después de calcular el factor de corrección
\alpha(Vc) con respecto al voltaje de carga antes
mencionado Vc, la CPU 14b determina si los factores de corrección
se han calculado con respecto a todos los valores necesarios del
voltaje de carga (S108). El voltaje de carga óptimo de la batería 10
varía dependiendo de la temperatura de la batería 10. En
consecuencia, con el fin de permitir la determinación precisa del
estado de carga en muchos valores del voltaje de carga, será
necesario calcular los factores de corrección con respecto a la
pluralidad de valores del voltaje de carga. En consecuencia, cuando
los factores de corrección no se hayan calculado con respecto a
todos los valores necesarios del voltaje de carga, la CPU 14b
retorna al procesamiento de S105, en donde la CPU 14b configura un
nuevo voltaje de carga. Subsiguientemente, en S106 y S107, la CPU
14b calcula un factor de corrección \alpha(Vc) con respecto
al nuevo voltaje de carga.
Después del cálculo de los factores de
corrección con respecto a todos los valores necesarios del voltaje
de carga (SI en S108), la CPU 14b determina si los factores de
corrección se han calculado con respecto a todos los estados de la
carga (por ejemplo, en los intervalos del 10%, tal como en SOC =
10%, 20%, 30%, ..., 90% (S109). El gran número de valores del
estado de carga (intervalos menores de datos) permite una mayor
precisión de la determinación, con respecto al estado de la carga.
Mediante la repetición del proceso de S104 a S109, la CPU 14b
calcula los factores de corrección \alpha(Vc) con respecto
a todos los estados predeterminados de la carga.
Después del cálculo de los factores de
corrección \alpha(Vc), la CPU 14b actualiza los factores de
corrección almacenados en la memoria RAM 14d. Después de ello, si
llega a ser necesario determinar un estado de la carga de la
batería 10, la CPU 14b utiliza los factores de corrección
actualizados para corregir las relaciones almacenadas en la memoria
ROM 14c. Más específicamente, después de transcurrir un tiempo
predeterminado (por ejemplo, 10 segundos) siguientes al inicio del
arranque del motor, se detecta la corriente de carga de la batería
por el sensor de corriente 20. La CPU 14b corrige la corriente de
carga detectada, multiplicándola por un factor de corrección
\alpha(Vc) almacenado en la memoria RAM 14d. Utilizando la
corriente de carga corregida y el mapa almacenado en la memoria
ROM 14c, la CPU 14b determina el estado de la carga en dicho
instante.
La figura 5 indica un ejemplo en el cual se
corrige la característica de carga (SOC = 70%). En el diagrama, la
línea de trazos indica un estado inicial predeterminado de la carga
almacenada en la memoria ROM 14c, y la línea continua indica un
estado de la carga después de la corrección, utilizando un factor de
corrección \alpha(Vc). En general, conforme se deteriora
la batería 10, el valor de la corriente de carga disminuye incluso
aunque el estado de la carga permanezca siendo el mismo. Tal como se
ha descrito anteriormente, el uso de una característica de carga
corregida hace posible el poder determinar el estado de la carga de
la batería 10 con una alta precisión incluso aunque la batería 10
esté deteriorada.
Aunque en esta realización los factores de
corrección \alpha(Vc) se han calculado con respecto a la
pluralidad de los voltajes de carga, con respecto a la pluralidad
de voltajes de carga, para determinar los valores entre los
correspondientes del voltaje de carga utilizados para el cálculo, o
los valores entre los valores de la corriente de carga utilizados
para el cálculo, por ejemplo basándose en la interpolación
lineal.
Además de ello, si la memoria ROM 14c es una
memoria regrabable (por ejemplo, EEPROM), el mapa almacenado en la
memoria ROM 14c puede ser actualizable. Es decir, las
características de carga pueden actualizarse utilizando los valores
del voltaje de carga y la corriente de carga detectados con respecto
a la pluralidad de estados de la carga en el proceso de S104 a
S106.
Tal como se comprenderá a partir de la
descripción anterior, la invención hace posible el poder determinar
el estado de la carga de una batería con alta precisión, incluso si
la batería está deteriorada después de que se haya cargado y
descargado en forma repetida. En consecuencia, la carga conectada a
la batería puede accionarse y controlarse con alta precisión, y la
batería puede cargarse en la forma apropiada.
Aunque la invención se ha descrito con
referencia a lo que se considera actualmente como una realización
preferida de la misma, se comprenderá que la invención no está
limitada a las realizaciones o construcciones expuestas. Por el
contrario, la invención tiene por objeto el cubrir varias
modificaciones y configuraciones equivalentes dentro del alcance de
las reivindicaciones adjuntas.
Claims (8)
-
\global\parskip0.900000\baselineskip
1. Un aparato para determinar el estado de la carga de una batería (10) basándose en un voltaje de carga y en una corriente de carga, que comprende:medios de almacenamiento (14c) para almacenar una relación entre un voltaje de carga, una corriente de carga, y el estado de la carga (SOC);medios de determinación en el tiempo (14b) para determinar si es el instante para ejecutar una corrección de la relación, mediante la determinación de si una cantidad de la electricidad de carga/descarga de la batería (10) ha sido excedida con respecto a un valor predeterminado;medios de carga para cargar la batería (10) en el estado de carga total, cuando los medios de determinación en el tiempo determinen que es el instante para ejecutar la corrección;medios de detección para detectar el estado de carga (SOC) de la batería (10), basándose en la corriente de descarga suministrada para el accionamiento de la carga a partir del estado de carga total;medios de corrección (14b) para corregir la relación almacenada en los medios de almacenamiento (14c) basándose en el voltaje de carga (Vc), y en la corriente de carga (Ic) en el proceso de carga a partir del estado de carga detectado (SOC); ymedios de determinado del estado (14b) para determinar el estado de carga (SOC) de la batería (10) basándose en la relación corregida por los medios de corrección y el voltaje de carga y la corriente de carga. - 2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los medios de corrección (14b) corrigen la relación en una pluralidad de estados de carga (SOC) obtenidos por la descarga de la batería mientras que se está accionando la carga a partir del estado de carga total.
- 3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en donde los medios de corrección (14b) corrigen la relación entre una pluralidad de voltajes de carga y una pluralidad de corrientes de carga en el estado de carga (SOC) obtenidos por la descarga de la batería (10) a partir de un estado de carga total mientras que se esté accionando la carga.
- 4. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde los medios de corrección (14b) corrigen la relación almacenada en los medios de almacenamiento (14c), basándose en un factor de corrección, el cual se calcula basándose en el voltaje de carga (Vc) y en la corriente de carga (Ic) en la carga a partir del estado detectado de la carga.
- 5. Un método para determinar un estado de carga de una batería (10), basándose en un voltaje de carga y en una corriente de carga, que comprende:almacenar una relación entre un voltaje de carga, una corriente de carga, y el estado de la carga;determinar si es el momento de ejecutar una corrección de la relación mediante la determinación de si la cantidad de electricidad cargada/descargada de la batería (10) ha excedido de un valor predeterminado;cargar la batería (10) hasta el estado de carga total, cuando se determine que es el instante para ejecutar la corrección;detectar el estado de carga de la batería (10), basándose en la corriente de descarga suministrada para el accionamiento de la carga, a partir del estado de carga total;corregir la relación almacenada basándose en el voltaje de carga (Vc) y en la corriente de carga (Ic) en la carga desde el estado de carga detectado; ydeterminar el estado de carga (SOC) de la batería (10), basándose en la relación corregida y en el voltaje de carga y la corriente de carga.
- 6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la relación almacenada está corregida en una pluralidad de estados de carga (SOC) obtenidos por la descarga de la batería (10), mientras que se está accionando la carga, a partir del estado de carga total.
- 7. Un método de acuerdo con la reivindicación 5 ó 6, en donde la relación almacenada se corrige basándose en una pluralidad de voltajes de carga y una pluralidad de corrientes de carga en el estado de carga (SOC) obtenido por la descarga de la batería, mientras que se está accionando la carga, a partir de un estado de carga total.
- 8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en donde la relación almacenada está corregida, basándose en un factor de corrección, el cual se calcula basándose en el voltaje de carga (Vc) y en la corriente de carga (Ic) en la carga desde el estado detectado de carga.
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|---|---|---|---|
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