ES2321161T3 - Procedimiento y disposicion para determinar el estado de una bateria. - Google Patents

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Claus Bischoff
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Abstract

Procedimiento para determinar el estado de salud (SOH) de una batería (1) de un vehículo con los pasos siguientes: - aplicación al menos a un consumidor eléctrico (2; 2a, 2b) unido a la batería de un perfil de corriente definido en cuanto a tiempo e importe mediante una corriente de batería, en donde el ajuste del perfil de corriente se consigue mediante una activación apropiada del consumidor eléctrico, - determinación de la caída de tensión que aquí se produce en la batería, mediante la medición de la caída de tensión en una línea de alimentación, en especial de la caída máxima de tensión en la batería (1), y - determinación del estado de salud (SOH) de la batería (1) sobre la base de la caída de tensión que se produce y con base en valores de referencia consignados.

Description

Procedimiento y disposición para determinar el estado de una batería.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un procedimiento y a una disposición para determinar el estado de una batería según el preámbulo de las reivindicaciones 1 a 8.
Estado de la técnica
En los vehículos de motor actuales y futuros se integran cada vez más consumidores eléctricos, cuyas funciones son parcialmente esenciales en cuanto a seguridad para el funcionamiento de los vehículos. Como ejemplos pueden citarse sistemas de dirección eléctricos y sistemas de frenos electrohidráulicos (EHB). El funcionamiento seguro de este tipo de componentes presupone una batería lista para funcionar y "sana" en la red de a bordo. Los fabricantes de automóviles exigen por ello de forma creciente una vigilancia fiable del estado de batería para baterías a usar en vehículos de motor.
Es posible medir la caída de tensión que se produce, en el caso de un proceso de arranque de un motor de combustión, en la resistencia interior de la batería de arranque. Aquí se aprovecha el hecho de que durante el proceso de arranque de un motor de combustión interna circula una corriente tan alta, que se llega a una caída de tensión en la resistencia interior de la batería. Una tensión mínima que se obtiene aquí puede utilizarse después para determinar el estado o el estado de salud de la batería. Sin embargo, los procedimientos de este tipo presuponen que las corrientes de batería necesarias para el arranque de un motor son proporcionales a la temperatura del motor, ya que por ejemplo la pérdida de potencia por fricción en el motor de combustión interna es fundamentalmente una función de la temperatura del motor. Una caída de tensión así medida se compara después con valores de referencia establecidos previamente, que tienen que consignarse como función de la temperatura del motor y de la tensión de marcha en vacío de la batería, en donde a partir de una comparación de este tipo puede derivarse el estado de la batería.
Este procedimiento tiene el inconveniente de la elevada complejidad de complicación, es decir, para cada motor de combustión interna debe llevarse a cabo una nueva aplicación de los valores de referencia de estado de batería. Aparte de esto, durante el proceso de arranque depende mucho la potencia de batería necesaria, incluso en el caso de una temperatura del motor conocida o constante, de las condiciones ambientales y condiciones marco termodinámicas y, de este modo, puede reproducirse muy mal.
Del documento DE 198 31 723 A se conoce un procedimiento para reconocer el estado de carga en una batería de vehículo, en el que se detecta durante el funcionamiento. del arrancador la caída de tensión de la tensión de batería. A partir de la caída de tensión se establece a continuación un valor de estado de carga relacionado con la misma.
Con la invención se busca llevar a cabo con una elevada precisión y lo más independientemente posible de las influencias medioambientales una determinación del estado de una batería de vehículo antes del arranque del motor, en especial de un motor de combustión interna o de un motor híbrido.
Esta tarea es resuelta mediante un procedimiento con las particularidades de la reivindicación 1 así como una disposición correspondiente con las particularidades de la reivindicación 8.
Conforme a la invención está previsto aplicar un perfil de corriente definido a un consumidor eléctrico que puede conectarse a la batería. Por perfil de corriente definido se entiende en especial una corriente de intensidad definible que circula durante un periodo de tiempo definible. En los procedimientos habituales, en los que se utilizaban corrientes de batería necesarias para el arranque del motor para determinar una caída de tensión, no es posible un ajuste de este tipo de un perfil de corriente definido. Por ejemplo no es posible en los motores de arranque habituales ajustar una duración de alimentación de corriente deseada, ya que justo después del arranque del motor de combustión interna asociado al motor de arranque se produce un desacoplamiento del motor de arranque y del eje de cigüeñal del motor de combustión interna y una finalización de la alimentación de corriente del motor de arranque. Aparte de esto la corriente extraída de un motor de arranque no es constante, de tal modo que en los procedimientos habituales tenía que realizarse una formación de valor medio relativamente complicada en cuanto a cálculo.
Conforme a la invención es ahora posible aplicar a un consumidor eléctrico una corriente definida durante un periodo de tiempo definido.
Configuraciones ventajosas del procedimiento conforme a la invención o de la disposición conforme a la invención son objeto de las reivindicaciones subordinadas.
Como consumidor eléctrico debe utilizarse con preferencia una máquina eléctrica (máquina E) con elevado potencial de energía, por ejemplo una máquina E acoplada al eje de cigüeñal con funciones de arrancador o generador o un motor de accionamiento eléctrico. A través de una activación apropiada de estas máquinas E puede conseguirse un ajuste de un perfil de corriente definido incluso durante periodos de tiempo muy cortos, ya que estas máquinas presentan una elevada necesidad de potencia. La complejidad adicional para la materialización de una función de este tipo es muy reducida, ya que en máquinas eléctricas de gran potencia se materializa con frecuencia un aprontamiento y una medición de altas corrientes con independencia de una determinación del estado de la batería.
La máquina eléctrica se hace funcionar convenientemente por motor, mediante la aplicación de corriente, en un estado desacoplado de un ramal de accionamiento o mecanismo de transmisión del vehículo. Este modo de proceder es especialmente adecuado para representar perfiles de corriente durante un corto periodo de tiempo. En este modo de funcionamiento la máquina eléctrica acelera si se aplica la corriente de batería. La duración del perfil de corriente se determina convenientemente mediante el número máximo de revoluciones de la máquina eléctrica, es decir, la duración de la aplicación de corriente debería elegirse de tal modo, que no se alcance el número máximo de revoluciones.
A continuación de este funcionamiento por motor se hace funcionar ventajosamente la máquina eléctrica en funcionamiento por generador. Con esta medida es posible reenviar a la batería una gran parte de la corriente extraída de la misma.
Conforme a otra forma de ejecución preferida del procedimiento conforme a la invención la máquina eléctrica se regula de tal modo, que la energía puesta a disposición por la aplicación de corriente se transforma fundamentalmente en calor. Este modo de funcionamiento ha demostrado ser ventajoso en especial en el caso de temperaturas ambiente más bajas, ya que el calor así producido puede alimentarse a un circuito de calor del vehículo de motor para calentar el motor o componentes del motor.
Para materializar este modo de funcionamiento se inmoviliza la máquina eléctrica mediante bloqueo del mecanismo de transmisión y cierre de un freno de rueda mediante frenos de rueda propios (es decir, asociados a la respectiva máquina eléctrica) y/o se hace funcionar con regulación de corriente.
Conforme a otra forma de ejecución preferida del procedimiento conforme a la invención, en el caso de una presencia de dos máquinas eléctricas se prevé que éstas trabajen una contra la otra, es decir, una primera en funcionamiento de generador y una segunda en funcionamiento por motor eléctrico, y con esto mejoren en especial su respectiva eficacia. También con esta medida puede materializarse un funcionamiento de la máquina eléctrica regulado de forma deseada.
Ventajas adicionales de la invención se obtienen de la siguiente descripción de ejemplos de ejecución preferidos y del dibujo adjunto.
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Dibujo
A continuación se describen con más detalle formas de ejecución preferidas de la invención con base en los dibujos adjuntos. En estos muestran:
la figura 1 un diagrama para explicar el término utilizado "estado de salud de la batería",
la figura 2 un esquema de conexiones en bloques esquemático de una forma de ejecución preferida de la disposición conforme a la invención, y
la figura 3 un esquema de principio de una transmisión electrónica dual, en la que puede usarse ventajosamente la disposición conforme a la invención o el procedimiento conforme a la invención.
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Descripción de formas de ejecución preferidas
En la fig. 1 se han representado la tensión de batería U y/o la corriente de batería i con relación al tiempo. Puede verse que durante un tiempo determinado to se dispone de una corriente de batería constante. En el caso de una nueva batería la tensión de batería Uneu desciende en ese periodo de tiempo hasta un valor min(Uneu). En el caso de una batería ya desgastada la tensión de batería U desciende hasta un valor min(U).
En el caso de la corriente i(t) se trata de una carga normal a temperatura normal y estado de carga normal, en donde se aplica la tensión de batería mínima min(U) es mayor que el valor límite UG. Para el caso en el que la tensión de batería, una vez transcurrido el tiempo t_{0}, sea mayor que el valor límite UG, se define el estado de salud SOH (inglés: State of Health) como > 0. Para el caso en el que min(U) \leq UG, se aplica SOH = 0. Un estado de salud SOH = 100 se obtiene para min(U) = min(Uneu), es decir, con batería nueva en entorno normal. Se obtiene un estado de salud SOH concreto como
SOH = \frac{max[(min(U) - UG).0]}{min(Uneu) - UG}
La prefijación de un perfil de corriente uniforme, como se ha representado en la figura 1, se configuraba usualmente como muy complicada. Aquí entra en juego la presente invención.
En la figura 2 se han representado como componentes esenciales de la disposición conforme a la invención una batería 1, una máquina eléctrica 2, un aparato de control, por ejemplo un ondulador pulsado 3 y un freno 4.
En el marco de un proceso de inicialización que se desarrolla antes de un verdadero arranque de motor se inicia en al aparato de control, en el caso de una solicitud de inicialización, una rutina que aplica a la máquina eléctrica 2 una corriente definida desde la batería 1. En el aparato de control puede medirse a través de la línea de alimentación 5 la caída de tensión resultante de la batería, y con base en valores de referencia consignados determinarse un estado de salud SOH correspondiente de la batería 1.
La energía eléctrica disponible en la máquina eléctrica 2 a causa de la aplicación de corriente puede transformarse por ejemplo en potencia del motor. Este modo de proceder es especialmente apropiado para generar perfiles de corriente de corta duración, en donde aquí la máquina eléctrica 2 se hace funcionar convenientemente desacoplada de un ramal de accionamiento (no representado) del vehículo de motor, es decir en marcha en vacío. Esto conduce a una aceleración de la máquina eléctrica 2, en donde es necesario prestar atención a que no se supere un número de revoluciones máximo de la máquina eléctrica. Esto puede garantizarse por ejemplo por medio de que se limite de forma correspondiente la duración del perfil de corriente.
También puede pensarse en activar la máquina eléctrica 2 con regulación de corriente, de tal modo que toda la energía eléctrica se transforme en calor, y no en energía de rotación mecánica. Con este fin la máquina eléctrica 2 puede inmovilizarse mediante el freno 4.
Mediante esta medida es posible que a la máquina eléctrica se apliquen corrientes definidas, incluso muy elevadas, desde la batería durante cualquier periodo de tiempo.
La transformación de la energía de batería en potencia de motor presenta ventajas en tanto que la máquina eléctrica 2, tras finalizar la aplicación de corriente, puede trabajar en un funcionamiento de generador, con lo que la. energía eléctrica extraída de la batería puede devolverse en gran parte a la misma, de tal modo que en total puede minimizarse la carga de la batería.
El calor producido durante la transformación de la energía de batería en potencia disipada puede alimentarse en un circuito de calor del vehículo de motor, con lo que se obtienen ventajas por ejemplo en funcionamiento invernal.
Con base en la figura 3 se representa a continuación otra forma de ejecución preferida de la disposición conforme a la invención.
Puede reconocerse una transmisión ramificadora de potencia para vehículos híbridos, que presenta dos máquinas eléctricas 2a, 2b, las cuales están ambas unidas activamente al eje de cigüeñal 12 del motor de combustión interna 16, a través de mecanismos de transmisión 10, 11 correspondientes.
El par de giro total que se obtiene a causa de la cooperación entre el motor de combustión interna y los motores eléctricos 2a, 2b se transmite, a través de las velocidades de una caja de cambios automática 14, a un árbol de salida 18.
La batería de gran potencia o batería de tracción 13 puede cargarse para determinar el estado de salud, como anteriormente mediante las máquinas eléctricas 2a, 2b, con un perfil de corriente definido.
Con la disposición representada de las máquinas eléctricas 2a, 2b pueden transformarse la generación de un perfil de corriente definido y la medición de una caída de tensión de referencia, con los siguientes conceptos alternativos descritos a continuación.
En primer lugar es posible, mediante la activación del freno de motor 16a del motor 16 y el bloqueo de los mecanismos de transmisión 10, 11 inmovilizar la máquina eléctrica 2a o 2b. Aquí hay que tener en cuenta que a los árboles respectivos de la caja de cambios automática se apliquen en cada caso velocidades.
Debe destacarse que también puede ser decisivo dotar las máquinas eléctricas 2a, 2b de sus propios frenos de cinta 2a', 2b'. Después es posible sin bloquear los mecanismos de transmisión inmovilizar las máquinas eléctricas (dado el caso también individualmente).
Debe destacarse asimismo que el bloqueo de los mecanismos de transmisión puede apoyarse o materializarse mediante el cierre de un freno de rueda 15a de una rueda 15.
En el caso de este modo de funcionamiento, como ya se descrito anteriormente, puede transformarse la energía de batería en energía térmica.
También puede pensarse en autorizar un giro libre de las máquinas eléctricas 2a o 2b. Este modo de funcionamiento es posible si no está aplicada ninguna velocidad y el freno de motor 16 del motor 16 es responsable de que el motor de combustión interna no se vea arrastrado en el giro.
Mediante la presencia de dos máquinas eléctricas puede producirse también una prefijación de corriente de carga definida y suficientemente alta para la deseada determinación del estado de la batería mediante "transformación en calor" de energía eléctrica en los arrollamientos del estator de las máquinas eléctricas, por medio de que de forma adecuada se procure que no se entregue nada de energía mecánica. En el caso de una máquina de polos de garra (máquina sincrónica con excitación externa), esto puede materializarse por medio de que la corriente de excitación para el rotor se ajuste a cero.

Claims (9)

1. Procedimiento para determinar el estado de salud (SOH) de una batería (1) de un vehículo con los pasos siguientes:
-
aplicación al menos a un consumidor eléctrico (2; 2a, 2b) unido a la batería de un perfil de corriente definido en cuanto a tiempo e importe mediante una corriente de batería, en donde el ajuste del perfil de corriente se consigue mediante una activación apropiada del consumidor eléctrico,
-
determinación de la caída de tensión que aquí se produce en la batería, mediante la medición de la caída de tensión en una línea de alimentación, en especial de la caída máxima de tensión en la batería (1), y
-
determinación del estado de salud (SOH) de la batería (1) sobre la base de la caída de tensión que se produce y con base en valores de referencia consignados.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque como consumidor eléctrico se utiliza al menos una máquina eléctrica (2, 2a, 2b) de un vehículo híbrido.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la máquina eléctrica (2; 2a, 2b) se hace funcionar convenientemente por motor, mediante la corriente de batería entregada por la batería, en un estado desacoplado de un ramal de accionamiento o mecanismo de transmisión del vehículo.
4. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la máquina eléctrica (2; 2a, 2b), a continuación de su aplicación de corriente, se hace funcionar mediante la corriente de batería en funcionamiento de generador.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la máquina eléctrica (2; 2a, 2b) se regula de tal modo, que la energía puesta a disposición mediante la aplicación de corriente se transforma fundamentalmente en calor o potencia disipada.
6. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la máquina eléctrica (2; 2a, 2b) se inmoviliza mediante el bloqueo del mecanismo de transmisión (10, 11) y el cierre de un freno de rueda (15a) o mediante frenos de cinta propios, o se hace funcionar con regulación de corriente.
7. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque en el caso de la presencia de dos máquinas eléctricas (2a, 2b), éstas trabajan una contra otra y con esto aumentan en especial su respectiva eficacia.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se desarrolla en el marco de un proceso de inicialización que se desarrolla antes del verdadero arranque del motor.
9. Disposición para determinar el estado de salud (SOH) de una batería (1) de un vehículo con un aparato de control (3) para aplicar al menos a un consumidor eléctrico (2; 2a, 2b) unido a la batería un perfil de corriente definido en cuanto a tiempo e importe mediante una corriente de batería, en donde el ajuste del perfil de corriente puede conseguirse mediante una activación apropiada del consumidor eléctrico, y en donde el aparato de control (3) comprende medios para determinar la caída de tensión que se produce al aplicar corriente al consumidor (2; 2a, 2b) en la batería (1), mediante la medición de la caída de tensión en una línea de alimentación (5), en especial de la caída máxima de corriente, y el aparato de control (3) comprende medios para determinar el estado de la batería sobre la base de la caída de tensión que se produce y con base en valores de referencia consignados.
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