ES2337135T3 - Procedimiento y dispositivo para determinar la carga que puede ser tomada de un acumulador de energia. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para determinar la carga (Qe) que se puede tomar de un acumulador de energía, especialmente una batería, hasta un final de descarga predeterminado, caracterizado por - un predictor de carga (2) que calcula la carga (Qe) que se puede tomar del acumulador de energía en el caso de una evolución de descarga de corriente predeterminada (IBatt,entl), sobre la base de un modelo matemático de acumulación de energía que representa matemáticamente las propiedades eléctricas del acumulador de energía, y - un estimador de variables de estado y parámetros (1) que a partir de variables de funcionamiento reales (UBatt, IBatt, TBatt) del acumulador de energía determina variables de estado (Z) y/o parámetros (P) para el modelo matemático de acumulación de energía, con lo que el predictor de carga (2) determina la carga que se puede tomar (Qe) hasta alcanzar un criterio de final de descarga predeterminado (Uemin, UBattmin, ULastmin).
Description
Procedimiento y dispositivo para determinar la
carga que puede ser tomada de un acumulador de energía.
La presente invención hace referencia a un
dispositivo para determinar la carga que se puede tomar de un
acumulador de energía, especialmente una batería, hasta un final de
descarga predeterminado de acuerdo al concepto genérico de la
reivindicación 1, así como un procedimiento correspondiente de
acuerdo al concepto genérico de la reivindicación 9.
En los acumuladores de energía, como por ejemplo
baterías, la carga real que se puede tomar es una variable
importante, ya que es la expresión de la reserva de energía de la
que se dispone hasta situarse por debajo de una capacidad de
potencia mínima requerida para una eficiencia energética. Justamente
en el campo de la técnica automovilística, una predicción precisa
de la carga que se puede tomar es más decisiva que el conocimiento
del estado de carga de la batería definido mediante la concentración
media de ácido en el acumulador de plomo, ya que éste sólo provee
información acerca de la carga ya tomada respecto a la carga
completa, pero no acerca de la cantidad de carga remanente que aún
se puede tomar.
La carga que aún se pueda tomar determina
directamente la disponibilidad de los consumidores conectados al
acumulador de energía. El conocimiento de la carga que se puede
tomar se puede utilizar, además, para medidas de técnica de control
o regulación, como por ejemplo para una gestión de energía en un
vehículo. De esta manera es posible, por ejemplo, tomar a tiempo,
antes de alcanzar una reserva de carga mínima, medidas adecuadas
que reduzcan el consumo, como por ejemplo la desconexión o la
atenuación de consumidores menos importantes.
De la EP-0376967 B1 ya se conoce
la posibilidad de determinar la carga que se puede tomar de un
acumulador de energía. Para ello, la carga que se puede tomar es
estimada, dependiendo de una corriente de descarga constante, a
partir de la temperatura de la batería y de la presencia de
envejecimiento, y sobre la base de la fórmula Peukert, a través de
campos de curvas características determinados empíricamente que se
encuentran almacenados en un ordenador. De esta manera, es posible
determinar la carga que se puede tomar hasta un final de descarga
que se encuentra caracterizado por la descarga completa del
acumulador de energía, pero en cambio no es posible determinar la
carga que se puede tomar hasta situarse por debajo de una tensión
mínima en los bornes, o hasta situarse por debajo de una capacidad
de potencia mínima del acumulador de energía. Además, la
determinación sobre la base de la fórmula Peukert de la carga que
se puede tomar es relativamente imprecisa, ya que no se consideran
diferentes efectos que influyen sobre el estado del final de
descarga, como por ejemplo una pérdida de masa activa hacia los
electrodos debido al envejecimiento de la batería o la formación de
hielo en los electrodos en el caso de bajas temperaturas.
De la WO 90/13823 se conoce un procedimiento y
un dispositivo para la determinación de variables físicas de
acumuladores eléctricos de energía recargables. En este caso, se
miden variables de inicio de proceso del acumulador de energía y se
procesan en un ordenador, con lo que, de acuerdo al principio
conocido de la medición indirecta, un modelo predeterminable en
forma de funciones cerradas lineales o no lineales multiparámetro,
y/o una parametrización heurística como estimación que representa
las variables físicas a determinar y sus relaciones físicas entre
ellas, se comparan con las variables de inicio de proceso medidas, y
luego el modelo y/o la estimación se adapta para la medición
siguiente. En este caso se hace un balance de la cantidad de carga
realmente disponible, para lo que se utiliza la eficiencia
diferencial de carga de la cantidad de carga almacenada.
La DE 102 03 810 A1 revela un procedimiento para
la determinación del estado de carga y/o de la capacidad de
rendimiento de un acumulador de carga. En este caso se evalúa la
capacidad de rendimiento de la batería a través de la respuesta de
tensión de un modelo de batería inicializado con el vector de estado
y el vector de parámetro sobre un perfil de corriente de carga
predeterminado. En este respecto, es especialmente importante la
estimación de la capacidad de rendimiento en el caso de un
sometimiento temporal a una carga, por ejemplo de una variable de
10 segundos con corrientes de una variable de \leq 100 A.
En el artículo "Methods for
state-of-charge determination and
their applications", S. Piller, M.Perrin, A.Jossen en Journal of
Power Sources 96 (2001), páginas 113-120, se
presenta una determinación de estado de carga que recurre a
determinados modelos de batería para aplicaciones dinámicas. Sin
embargo, no se encuentra previsto un predictor de descarga que
determine la carga que se puede tomar hasta alcanzar un criterio de
final de descarga predeterminado.
De la EP 420 530 A1 se conoce un dispositivo y
un procedimiento para la predicción adaptiva del tiempo restante
para la descarga de la batería. El algoritmo de la determinación de
estado de carga se basa en características de descarga medidas de
las baterías, cuyo tiempo restante para la descarga se puede
predecir. Estas características de descarga se han reducido a dos
parámetros que no dependen de la corriente de carga.
Es por ello objeto de la presente invención,
crear un dispositivo, así como un procedimiento, para determinar la
carga que se puede tomar de un acumulador de energía, que permitan
una determinación muy precisa de la carga que se puede tomar hasta
un criterio de final de descarga predeterminado.
Conforme a la invención, este objeto es resuelto
por las características indicadas en la reivindicación 1 o 9. Otros
diseños de la invención son objeto de reivindicaciones
secundarias.
La idea esencial de la presente invención
consiste en prever un predictor de carga, es decir, un dispositivo
para el cálculo de la carga que se puede tomar que mediante un
modelo matemático de acumulación de energía calcule la carga que se
puede tomar del acumulador de energía, considerando una evolución de
la corriente de descarga predeterminada y la evolución de la
temperatura. En este caso, el modelo de acumulación de energía es
un modelo matemático que representa las propiedades eléctricas,
basadas en diferentes efectos físicos, del acumulador de energía.
Los modelos matemáticos describen relaciones funcionales entre
variables de estado, como por ejemplo tensiones, corrientes,
temperatura, etc., y comprenden diferentes parámetros.
El cálculo de carga efectuado por el predictor
de carga se realiza partiendo del estado real del acumulador de
energía. Por ello, los modelos matemáticos almacenados en el
predictor de carga se inicializan, en principio, en el estado de
servicio real del acumulador de energía. Para ello se encuentra
previsto un estimador de variables de estado y parámetros que a
partir de las variables de funcionamiento, como por ejemplo la
tensión, la corriente y la temperatura del acumulador de energía
determina las variables de estado, y, eventualmente, también
parámetros del modelo de acumulación de energía. Para las variables
de estado del acumulador de energía que no se pueden medir
directamente durante el funcionamiento se puede utilizar, por
ejemplo, un filtro de Kalman conocido como estimador de variables
de estado y parámetros. Partiendo de este estado de inicialización
el predictor de carga calcula entonces la carga que se puede tomar
del acumulador de energía hasta un final de descarga
predeterminado, es decir, hasta uno o múltiples criterios de final
de descarga que a continuación se explican con mayor
detalle.
detalle.
En el caso de una batería, el modelo de
acumulación de energía comprende, al menos, un modelo para la
resistencia interna Ri de la batería, una resistencia a la difusión
de ácido R_{k} y una polarización directa U_{D}.
El estimador de estado y de los parámetros
determina como variables de estado Z, al menos, una tensión de
reposo U_{C0} de la batería y una polarización de concentración
U_{k}. Si la capacidad de la batería, y con ello también la
capacidad ácida C_{0} de la batería utilizada es desconocida,
también se la debe calcular. Para ello el estimador de variables de
estado y de parámetros determina preferentemente, al menos, los
parámetros R_{i025}, U_{e, grenz}, R_{k025}, U_{D025} y
C_{0}. A continuación estos parámetros se explican con mayor
detalle.
El criterio de final de descarga hasta el que se
calcula la carga que se puede tomar puede ser, por ejemplo, el
alcanzar o situarse por debajo de una tensión mínima de electrolito
predeterminada U_{ekrit}, una tensión en los bornes U_{Battmin}
o el alcanzar una capacidad mínima de potencia U_{Lastmin}.
Conforme a una forma de ejecución preferente de la invención, se
calcula la carga que se puede tomar hasta alcanzar o situarse por
debajo de, al menos, dos, preferentemente los tres criterios de
final de descarga mencionados.
El criterio de final de descarga de la tensión
mínima de electrolito U_{ekrit} se cumple, cuando la tensión de
electrolito U_{e} cae por debajo de la tensión mínima de
electrolito predeterminada U_{ekrit}. La tensión de electrolito
predeterminada U_{ekrit} considera preferentemente la pérdida de
masa activa debido al envejecimiento de la batería y/o la formación
de hielo en los electrodos en el caso de bajas temperaturas.
El criterio de final de descarga de la tensión
mínima en los bornes U_{Battmin} se cumple, cuando la tensión en
los bornes U_{Batt} cae por debajo de la tensión mínima en los
bornes predeterminada U_{Battmin}.
El criterio de la capacidad mínima de potencia
se alcanza cuando una tensión de red, como por ejemplo la tensión
en una carga alimentada por el acumulador de energía, caería por
debajo de un valor umbral predeterminado si el acumulador de
energía fuera cargado con esa carga por un tiempo predeterminado.
Para establecer si la tensión de carga caería por debajo de un
valor umbral predeterminado en el caso de una evolución de corriente
de carga predeterminada, se encuentra previsto un predictor de
tensión que en dependencia de la evolución de corriente de carga
determina la tensión de carga correspondiente. En un automóvil se
puede determinar de esta manera, cuánta carga todavía se puede
tomar de la batería del automóvil en el caso de una evolución
predeterminada de corriente de descarga y temperatura de la
batería, hasta que sólo exista una carga tal, que la tensión de red
en una carga a conectar no se sitúe por debajo de un valor umbral
predeterminado, en el caso de una evolución de corriente de carga
predeterminada. En el caso de una red de alimentación eléctrica de
un automóvil esto es necesario, especialmente para impedir que no
se tome más carga de la batería de la que se necesita, por ejemplo,
para un nuevo proceso de
arranque.
arranque.
De manera opcional se pueden definir también
otros criterios de final de descarga.
La determinación de la carga que se puede tomar
del acumulador de energía es repetida por el predictor de carga en
intervalos temporales predeterminados, con lo que en cada caso se
consideran valores reales para la corriente de descarga I_{Batt,
entl} y la temperatura del acumulador de energía T_{Batt, entl}.
Preferentemente, el predictor de carga también puede determinar el
tiempo hasta alcanzar el criterio de final de descarga
predeterminado.
El estimador de variables de estado y parámetros
trabaja, preferentemente, sobre la base del mismo modelo de
acumulación de energía que el predictor de carga.
\newpage
A continuación, la invención es explicada, a
modo de ejemplo y más detalladamente, con ayuda de los dibujos
adjuntos. Estos muestran:
Fig. 1 una representación esquemática de un
dispositivo para determinar la carga que se puede tomar de una
batería, con un predictor de carga y un predictor de tensión;
Fig. 2 un esquema equivalente para un acumulador
de plomo;
Fig. 3a un diagrama de flujo para la
representación de pasos esenciales del procedimiento durante el
cálculo de la carga que se puede tomar por medio de un predictor de
carga;
Fig. 3b, c un diagrama de flujo para la
representación del control de diferentes criterios de final de
descarga;
Fig. 3d un diagrama de flujo para la
representación de los pasos esenciales de procedimiento durante el
cálculo de la tensión mínima de batería por medio de un predictor
de tensión; y
Fig. 4 una representación de la dependencia de
diferentes efectos físicos de la tensión de electrolito.
\vskip1.000000\baselineskip
La fig. 1 muestra un diagrama de bloques de un
dispositivo para el cálculo de la carga que se puede tomar de una
batería, especialmente una batería de vehículo. Ésta comprende un
estimador de variables de estado y parámetros 1, un predictor de
carga 2 y un predictor de tensión 3. Partiendo de un estado real de
batería U_{Batt}, I_{Batt}, T_{Batt} y de una evolución de
corriente de descarga predeterminada I_{Batt,entl}, el
dispositivo puede calcular la carga que se puede tomar de la batería
(no representada) hasta alcanzar un final de descarga
predeterminado. En este caso, la evolución de corriente de descarga
I_{Batt,entl} puede ser una evolución de corriente predeterminada
de forma arbitraria o una corriente constante (I_{Batt}).
El predictor de carga 2 y el predictor de
tensión 3 comprenden un modelo matemático de batería que describe
las propiedades eléctricas de la batería del vehículo. Si se conocen
las variables de funcionamiento reales de la batería, más
precisamente la tensión real de la batería U_{Batt}, la corriente
real de la batería I_{Batt} y la temperatura real de la batería
T_{Batt}, así como considerando una evolución de corriente de
descarga predeterminada I_{Batt,entl} y una evolución de
temperatura predeterminada T_{Batt, entl}, se puede calcular la
carga que se puede tomar de la batería Q_{e},U_{krit},
Q_{e},U_{Battmim}, Q_{e},U_{Lastmin} hasta alcanzar tres
diferentes criterios de final de descarga (que en el presente
ejemplo se encuentran unidos en forma conjuntiva). La evolución de
corriente de descarga _{IBatt,entl} y la evolución de temperatura
T_{Batt,entl} durante la descarga pueden ser predeterminadas por
un dispositivo de control (no representado), o determinados a
Partir de las variables de funcionamiento reales de la batería
U_{Batt}, I_{Batt}, T_{Batt}.
El predictor de carga 2 y el predictor de
tensión 3 comprenden un modelo matemático de batería que describe
matemáticamente las propiedades eléctricas de la batería del
vehículo y que se basa en el esquema equivalente para un acumulador
de plomo mostrado en la fig. 2.
\vskip1.000000\baselineskip
La fig. 2 muestra un esquema equivalente de un
acumulador de plomo. La dirección de conteo de la corriente de la
batería se seleccionó, como es usual, positiva para la carga y
negativa para la descarga. Las variables de estado y los
componentes son, de izquierda a derecha:
- R_{1} (U_{C0}, U_{e}, T_{Batt})
- Resistencia interior óhmica, dependiente de la tensión de reposo U_{C0}, de la tensión de electrolito U_{e} y de la temperatura del ácido T_{Batt}
- U_{Ri}
- Caída óhmica de tensión
- C_{0}
- Capacidad ácida
- U_{C0}
- Tensión de reposo
- Rk (U_{C0}/T_{Batt})
- Resistencia a la difusión de ácido, dependiente de la tensión de reposo U_{C0} (grado de descarga) y de la temperatura del ácido T_{Batt}
- \tau_{k} = R_{k}*C_{k}
- Constante temporal de la difusión de ácido (se adopta como constante con una variable de 10 min)
- u_{k}
- Polarización de concentración
- U_{e}=U_{C0}+U_{k}
- Tensión de electrolito
- \DeltaU_{Nernst} (U_{e}, T_{Batt})
- Diferencia de tensión entre la tensión en los bornes y la tensión de electrolito U_{e}, dependiente de la tensión de electrolito U_{e} y de la temperatura del ácido T_{Batt}
- U_{D} (I_{Batt}, T_{Batt})
- Polarización directa fija, dependiente de la corriente de la batería I_{Batt} y de la temperatura del ácido T_{Batt}
- U_{Batt}
- Tensión en los bornes de la batería
\vskip1.000000\baselineskip
Cada una de las variables se debe a diferentes
efectos físicos de la batería, que a continuación se explican
brevemente:
La tensión U_{Ri} es la caída óhmica de
tensión en la resistencia interna R_{i} de la batería, que a su
vez depende de la tensión de reposo U_{C0}, la tensión de
electrolito U_{e} y la temperatura del ácido T_{Batt}.
La tensión de reposo U_{C0} es proporcional a
la concentración media de ácido en la batería y es igual a la
tensión en los bornes de la batería cuando, después de una fase de
reposo de la batería, la concentración de ácido es igual en todos
lados.
La polarización de concentración U_{k}
considera la desviación de la concentración de ácido en el lugar de
reacción, es decir los electrodos, del valor medio en el batería. En
el caso de la descarga de la batería, la menor concentración de
ácido existe en los poros de los electrodos, ya que allí se consume
el ácido y debe fluir ácido nuevo desde el electrolito.
La tensión de electrolito U_{e} considera la
desviación de la tensión de reposo U_{C0} debido a la polarización
de concentración, dependiendo de la concentración de ácido en el
lugar de reacción. En este caso es válido U_{e} = U_{C0} +
U_{k}.
El térmico \DeltaU_{Nernst} (U_{e},
T_{Batt}) describe la diferencia de tensión entre el potencial de
electrodos y la tensión de electrolito, que a su vez depende de la
concentración local de ácido en el lugar de reacción y de la
temperatura del ácido T_{Batt}.
La polarización directa fija U_{D}
(I_{Batt}, T_{Batt}) considera una resistencia eléctrica de
transición entre un primer electrodo de la batería y el
electrolito, y entre el electrolito y el segundo electrodo de la
batería, y a su vez depende de la corriente de la batería I_{Batt}
y la temperatura del ácido T_{Batt}.
La difusión del ácido del electrolito hacia el
lugar de reacción, es decir hacia los electrodos, durante la
descarga es descrita por la resistencia a la difusión de ácido
R_{k} (U_{C0}, T_{Batt}), que a su vez depende de la tensión
de reposo U_{C0} y de la temperatura del ácido T_{Batt}.
El modelo matemático de acumulación de energía
comprende varios modelos que describen la resistencia óhmica
interna de la batería R_{1} (U_{C0}, U_{e}, T_{Batt}), la
resistencia a la difusión de ácido R_{k} (U_{C0}, T_{Batt}),
la diferencia de tensión \DeltaU_{Nernst} (U_{e},T_{Batt})
entre el potencial de electrodos y la tensión de electrolito y la
polarización directa fija U_{D} (I_{Batt}, T_{Batt}). De
manera opcional también se pueden considerar más o menos modelos
matemáticos. Para cada una de las variables mencionadas a
continuación también se pueden aplicar otros modelos
matemáticos.
donde
En este caso:
- R_{i025}
- Resistencia óhmica interior en el caso de carga completa y T_{Batt}=25ºC
- TK_{Lfakt}
- Coeficiente de temperatura de la conductancia de la batería
- R_{i}, _{fakt}
- Parámetro de campo característico
- U_{C0max}
- Tensión máxima de reposo de la batería con carga completa
- U_{e}, _{grenz}
- Tensión de electrolito en el caso de final de descarga (depende del envejecimiento)
\vskip1.000000\baselineskip
Para la aproximación de la resistencia de la
difusión de ácido R_{k} se puede utilizar, por ejemplo, el
siguiente modelo:
donde
(Principio de Arrhenius)
y
- kk_{025}
- Resistencia de la difusión de ácido en el caso de carga completa y T_{Batt} = 25ºC
- E_{rk0}
- Energía de activación
- P_{k, fakt}1, R_{k, fakt2}, R_{k, fakt3}
- Coeficientes de polinomio
\vskip1.000000\baselineskip
Para la diferencia de tensión entre el potencial
de electrodos y la tensión de electrolito se puede aplicar, por
ejemplo, el siguiente modelo:
donde
- alpha, beta, U_{ekn}
- Parámetros de curva característica
- TK_{U00}
- Coeficiente de temperatura del potencial de electrodos
\vskip1.000000\baselineskip
Para la polarización directa fija U_{D} se
puede aplicar el siguiente modelo:
donde
- U_{D025}
- Polarización directa fija en el caso de I_{Batt}=e*I_{D0} y T_{Batt}=25ºC
- I_{D0}
- Corriente de paso para U_{D}=0V
- TK_{UD01} TKUD02, TK_{UD02}
- Coeficientes de temperatura de primer, segundo y tercer orden de la polarización directa
\vskip1.000000\baselineskip
Una formación de estratos de ácido en la batería
tiene lugar especialmente en el caso de baterías de plomo con
electrolito líquido, cuando la batería es cargada con una corriente
elevada partiendo de un estado de carga bajo, es decir, menor a la
concentración media de ácido. Debido de la elevada corriente de
carga en el área de los electrodos (lugar de reacción) se forma una
alta concentración de ácido que debido a su mayor peso específico
desciende, de manera que en el área superior permanece el ácido de
menor concentración. Por ello, en el caso de la formación de
estratos de ácido la batería se comporta como una batería con
capacidad reducida (y con ello una carga que se puede tomar
reducida), ya que sólo el área inferior de la batería participa en
la reacción con una alta concentración de ácido. Además, debido a la
concentración aumentada de ácido en el área inferior el potencial
de electrodos se eleva por encima del valor de una batería sin
estratificar. Ya que la tensión de reposo U_{C0} y la capacidad
ácida C_{0} son determinadas y adaptadas por el estimador de
variables de estado y parámetros 1, también el efecto de la
formación de estratos de ácido sobre la carga que se puede tomar ya
es considerada de manera implícita durante la predicción de carga a
través del predictor de carga 2. De esta manera, el procedimiento
también considera la reducción de la carga que se puede tomar en el
caso de baterías con formación de estratos de ácido.
\vskip1.000000\baselineskip
La fig. 3a muestra el cálculo de una carga
Q_{e} que se puede tomar de una batería de vehículo. Para ello el
predictor de carga 2 realiza un cálculo numérico y determina las
variables de estado U_{C0}, U_{k}, U_{e},
\DeltaU_{Nernst}, U_{Ri} y U_{Batt} del modelo de batería de
la fig. 2. En particular el cálculo se realiza de la siguiente
manera:
\vskip1.000000\baselineskip
En el bloque 10 se calcula y se suma de manera
iterativa la carga tomada de la batería q_{k} en un paso de
tiempo t_{sample} con una evolución de corriente de descarga
supuesta I_{Batt,entl}. La evolución de corriente de descarga
I_{Batt}, entl puede ser constante, por ejemplo, y corresponder a
la corriente de batería I_{Batt} o ser una evolución de corriente
predeterminada cualquiera. Es válido:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
En este caso, los valores iniciales q_{0}' y
t_{0}' para este cálculo son:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Este cálculo iterativo se realiza hasta que se
cumple un criterio de final de descarga predeterminado. Entonces la
carga que se puede tomar de la batería es Q_{e} = q_{k+1}' y el
tiempo restante hasta alcanzar el criterio de final de descarga con
la corriente de descarga predeterminada I_{Batt,entl} es t_{e} =
t_{k+1'}.
En los bloques 11 a 15 se calcula la
polarización directa fija U_{D} (I_{Batt,entl},
T_{Batt,entl}), la tensión de reposo U_{C0},_{k+1'}, la
polarización de concentración Uk,_{k+1'}, la tensión de
electrolito Ue,_{k+1}', el valor \DeltaU_{Nernst},_{k+1'},
la caída óhmica de la tensión URi,_{k+1}' y la tensión de batería
U_{Batt},_{k+1}'. Las ecuaciones rezan:
En este caso U_{Batt},_{k:+1}' con el índice
k+1 es un nuevo valor después de una iteración. La iteración se
realiza hasta que se cumple un criterio de final de descarga
predeterminado, en el presente ejemplo hasta que se cumplen
simultáneamente tres criterios de final de descarga diferentes.
La comparación de las variables de estado con
los diferentes criterios de final de descarga se encuentra
representada en las fig. 3b y 3c. El primer criterio de final de
descarga es alcanzar una tensión de electrolito crítica
U_{e,krit}, que se encuentra determinada por la concentración de
ácido en el electrolito, la temperatura de la batería
T_{Batt,entl} y una limitación de tensión debido a la pérdida de
masa activa de los electrodos de la batería \DeltaU_{e,grenz}.
En el paso 21 de la fig. 3b se controla para cada paso de iteración
k si la tensión de electrolito U_{e,k+1}' es menor o igual a la
tensión de electrolito crítica. Si es así, en el paso 22 se coloca
una marca correspondiente flag_{Ue,krit} en lógico "1"
(TRUE). Por ello, en el caso de este criterio de final de descarga
la carga que se puede tomar Q_{e} es Q_{e}, U_{ekrit} =
q_{k+1}' y el tiempo hasta alcanzar el criterio de final de
descarga es t_{e}, U_{ekrit} = t_{k+1}'.
En el paso 24 se controla, preferentemente de
manera paralela al paso 21, si se alcanzó un segundo criterio de
final de descarga. En este caso se controla si la tensión de batería
U_{Batt},_{k+1}' es menor o igual a una tensión de batería
mínima predeterminada U_{Batt,min}. Si es así, se coloca
nuevamente una marca específica con la denominación
flagU_{Battmin} en TRUE. La carga que se puede tomar Q_{e},
U_{Battmin} = q_{k+1}' y el tiempo t_{e}, U_{Battmin} hasta
alcanzar este criterio de final de descarga es t_{e},
U_{Battmin} - t_{k+1}'.
En el paso 26 (véase fig. 3c) se controla
finalmente, si se alcanzó el tercer criterio de final de descarga,
más precisamente una capacidad mínima de potencia necesaria de la
batería. En este caso se controla, si una tensión de carga
U_{Last} que cae en una carga predeterminada durante una evolución
de corriente de carga predeterminada I_{Last} sería menor o igual
a una tensión de carga mínima U_{Last,min}, si la carga se
conectara en un momento predeterminado. Entonces la tensión de carga
U_{Last} es aquella tensión que se ajusta en la carga o, por
ejemplo, en la batería, si la carga con una evolución de corriente
de carga predeterminada I_{Last} se conectara por un tiempo
predeterminado t_{Last}. Este cálculo se basa en que para el
tiempo t_{Last} se debe garantizar, que la tensión de red (o
tensión de carga) no descienda por debajo de un valor mínimo
predeterminado y la carga sea alimentada de manera suficiente
durante su duración de funcionamiento t_{Last}. Para el cálculo
de la tensión de carga U_{Last} que se ajusta de acuerdo a una
duración de conexión predeterminada t_{Last}, se encuentra
previsto el predictor de tensión 3. Éste calcula, en base a los
modelos conocidos para las variables de estado U_{C0}, U_{k},
U_{e}, \DeltaU_{Nernst}, U_{Ri} y U_{D}, la tensión de
batería U_{Batt} (paso 36) en el caso de una evolución de
corriente de carga predeterminada I_{Last} y mediante una
duración de conexión de carga predeterminada t_{Last}. Después de
transcurrida la duración de conexión de la carga t_{Last} (paso
38), el valor mínimo de la tensión de batería U_{Batt} de todos
los pasos de iteración (paso 37) es igual a la tensión de carga
U_{Last} (paso 39). El predictor de tensión 3 utiliza en los
bloques 30 a 36 los mismos modelos de cálculo que el predictor de
carga para el cálculo de las variables de estado de la batería, con
la diferencia, de que el cálculo se basa en una evolución de
corriente de carga I_{Last}. La evolución de corriente de carga
es, por ejemplo, la corriente que una carga, como por ejemplo el
motor de arranque necesita para funcionar en un automóvil. Evolución
de corriente de carga I_{Last} y duración de conexión t_{Last}
pueden ser predeterminados, por ejemplo, por una unidad de control.
Es válido:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
En el bloque 26, la tensión de batería mínima
U_{Last} que aparece durante la simulación de carga se compara
con un valor umbral U_{Last,min} y se establece si la tensión de
carga mínima U_{Last} es menor o igual a la tensión
U_{Last,min}.
El cálculo de la tensión mínima U_{min}, en el
caso de la corriente de carga predeterminada I_{Last} mediante el
predictor de tensión 3, es realizado en cada paso de iteración del
predictor de carga 2. Cuando la simulación da como resultado que se
ha alcanzado la capacidad mínima de potencia (U_{Last} <=
U_{Last,min}) se coloca una marca específica con la denominación
flagU_{Lastmin} en TRUE. La carga que se puede tomar Qe hasta
este 3^{er} criterio de final de descarga es:
\vskip1.000000\baselineskip
En el caso de la corriente de descarga
predeterminada I_{Batt,entl}, la capacidad mínima de potencia de
la batería se alcanza en un tiempo
(Bloque 27).
Si los criterios de final de descarga no se
alcanzaron en los pasos 21, 24 y 26, entonces en el paso 28, al
igual que tras los bloques 22, 25 y 27, se controla si los tres
criterios de final de descarga se han cumplido simultáneamente. Si
es así, el valor mínimo de las cargas que se pueden tomar
Q_{e},U_{ekrit}, Q_{e},U_{Battmin}, Q_{e},U_{Lastmin}
es emitido como carga máxima que se puede tomar. Simultáneamente se
puede emitir el la duración temporal correspondiente t_{e}. Si no
es así se continúa con el cálculo.
En el caso de una corriente de descarga
constante I_{Batt,entl} = constante y una temperatura constante
T_{Batt,entl} = constante, las variables de estado U_{C0}' y
U_{k}', así como la tensión de batería U_{Batt}' también se
pueden calcular de forma analítica, de manera que el cálculo
iterativo de acuerdo a la fig. 3a que es realizado por el predictor
de carga 2 y que consume mucho tiempo se puede suprimir.
\vskip1.000000\baselineskip
La carga que se puede tomar de una batería
depende, esencialmente, del ácido contenido en el electrolito.
Además, en segundo lugar el final de descarga también depende de la
masa activa en los electrodos de la batería a la que se tiene
acceso durante el proceso de descarga (Pb, PbO_{2} en el caso de
acumuladores de plomo) y en tercer lugar, de la formación de hielo
en el electrolito en el caso de bajas temperatura. La exactitud de
la carga que se puede tomar se puede mejorar considerablemente si se
considera, al menos, uno de los efectos antes mencionados.
En el caso de baterías nuevas y baterías con
baja pérdida de masa activa, la descarga de la batería se encuentra
limitada esencialmente por el ácido contenido en el electrolito
(limitación de ácido). Durante el cálculo de la carga que se puede
tomar realizada por el predictor de carga para la concentración de
ácido en el lugar de reacción (electrodos), se utiliza la tensión
de electrolito proporcional U_{e}. Los valores límite usuales
para nuevas baterías son, por ejemplo, U_{e,krit}, ácido = 11,5 V
en el caso de final de descarga (véase rama b en la fig. 4).
En el caso de baterías con una mayor pérdida de
masa activa, el final de descarga (la batería ya no ofrece carga)
ya tiene lugar con tensiones más altas debido a un empobrecimiento
de la masa activa (Pb,PbO_{2}) disponible para la reacción de
descarga. La fig. 4 muestra este desplazamiento de la tensión de
electrolito crítica U_{e,krit} en un valor \DeltaU_{e,grenz}
y hacia tensiones más altas (de 11,5 a 12 V; de rama b a rama c).
Considerando la limitación de masa activa se puede aplicar entonces
la siguiente relación:
En el caso de temperaturas menores a -10ºC puede
aparecer, especialmente en el caso de bajas concentraciones de
ácido, una formación de hielo en el electrolito. En ese caso, la
alimentación de ácido hacia el lugar de reacción se impide en los
electrodos, de manera que en los electrodos existe una menos
concentración de ácido (véase rama a en la fig. 4). Para la tensión
de electrolito crítica se puede aplicar la siguiente relación,
dependiente de la temperatura:
Si se consideran los tres efectos, para el
primer criterio de final de descarga (alcanzar una tensión mínima
de electrolito U_{e}) se puede utilizar la siguiente relación:
La fig. 4 muestra nuevamente la evolución
resultante de la tensión de electrolito crítica U_{e,krit},
dependiendo de la temperatura de la T_{Batt} y
\DeltaU_{e,grenz}.
\vskip1.000000\baselineskip
- 1
- Estimador de variables de estado y parámetros
- 2
- Predictor de carga
- 3
- Predictor de tensión
- 10-15
- Pasos de cálculo del predictor de carga
- 20-28
- Control del final de descarga
- 30-39
- Pasos de cálculo del predictor de tensión
- Z
- Variables de estado
- P
- Parámetros
- U_{Batt}
- Tensión de la batería
- I_{Batt}
- Corriente de la batería
- T_{Batt}
- Temperatura de la batería
- I_{Batt,entl}
- Evolución de corriente de descarga
- T_{Batt,entl}
- Evolución de la temperatura
- Q_{e,ue,krit}
- Carga que se puede tomar hasta alcanzar la tensión de electrolito crítica
- Q_{e,UBattmin}
- Carga que se puede tomar hasta alcanzar la tensión de batería mínima
- Q_{e,ULastmin}
- Carga que se puede tomar hasta alcanzar la capacidad mínima de potencia
- t_{e}
- Tiempo hasta alcanzar el final de descarga
- I_{Last}
- Corriente de carga
- U_{Last}
- Tensión de carga
- R_{i}
- Resistencia óhmica interna
- U_{C0}
- Tensión de reposo
- U_{k}
- Polarización de concentración
- U_{Ri}
- Caída de tensión en la resistencia óhmica
- R_{k}
- Resistencia a la difusión de ácido
- \DeltaU_{Nernst}
- Diferencia de tensión entre el potencial de electrodos y la tensión de electrolito
- U_{e}
- Tensión de electrolito
- U_{D}
- Polarización directa
- U_{e,krit}
- Tensión de electrolito crítica
- U_{Batt},_{min}
- Tensión mínima de batería
- U_{Last},_{min}
- Tensión mínima de carga
Claims (10)
1. Dispositivo para determinar la carga
(Q_{e}) que se puede tomar de un acumulador de energía,
especialmente una batería, hasta un final de descarga
predeterminado, caracterizado por
- -
- un predictor de carga (2) que calcula la carga (Q_{e}) que se puede tomar del acumulador de energía en el caso de una evolución de descarga de corriente predeterminada (I_{Batt,entl}), sobre la base de un modelo matemático de acumulación de energía que representa matemáticamente las propiedades eléctricas del acumulador de energía, y
- -
- un estimador de variables de estado y parámetros (1) que a partir de variables de funcionamiento reales (U_{Batt}, I_{Batt}, T_{Batt}) del acumulador de energía determina variables de estado (Z) y/o parámetros (P) para el modelo matemático de acumulación de energía, con lo que el predictor de carga (2) determina la carga que se puede tomar (Q_{e}) hasta alcanzar un criterio de final de descarga predeterminado (Ue_{min}, U_{Battmin}, U_{Lastmin}).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Dispositivo conforme a la reivindicación 1,
caracterizado porque el modelo de acumulación de energía es
un modelo de batería que comprende, al menos, un modelo matemático
para la resistencia interna (R_{i}), una resistencia a la
difusión de ácido (R_{k}) y una polarización directa
(U_{D}).
3. Dispositivo conforme a la reivindicación 1 o
2 caracterizado porque el estimador de variables de estado y
parámetros (1) determina, al menos, una tensión de reposo (U_{C0})
y una polarización de concentración (U_{k}) como variables de
estado (Z).
4. Dispositivo conforme a la reivindicación 3,
caracterizado porque el estimador de variables de estado y
parámetros (1) determina, además, una polarización directa
(U_{D}).
5. Dispositivo conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
predictor de carga (2) determina la carga que se puede tomar
(Q_{e}) hasta alcanzar una tensión de electrolito mínima
predeterminada (U_{emin}), lo que representa un primer criterio
de final de descarga.
6. Dispositivo conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
predictor de carga (2) determina la carga que se puede tomar
(Q_{e}) hasta alcanzar una tensión mínima predeterminada
(U_{Battmin}) del acumulador de energía, lo que representa un
segundo criterio de final de descarga.
7. Dispositivo conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
predictor de carga (2) determina la carga que se puede tomar
(Q_{e}) hasta alcanzar una capacidad mínima de potencia
(U_{Lastmin}), lo que representa un tercer criterio de final de
descarga.
8. Dispositivo conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se
encuentra previsto un predictor de tensión para el que se puede
predeterminar una evolución de corriente de carga (I_{Last}) y
que, dependiendo de la corriente de carga (I_{Last}), determina
una correspondiente tensión de carga (U_{Last}) que se ajustaría
debido a la evolución de corriente de carga predeterminada
(I_{Last}).
\vskip1.000000\baselineskip
9. Procedimiento para determinar la carga
(Q_{e}) que se puede tomar de un acumulador de energía,
especialmente una batería, hasta un final de descarga
predeterminado, caracterizado por los siguientes pasos:
- -
- cálculo de la carga (Q_{e}) que se puede tomar del acumulador de energía en el caso de una evolución de descarga de corriente predeterminada (I_{Batt,entlade}) mediante un predictor de carga (2), y sobre la base de un modelo matemático de acumulación de energía que representa, matemáticamente, las propiedades eléctricas del acumulador de energía, y
- -
- determinación de variables de estado (Z) y/o parámetros (P) para el modelo matemático de acumulación de energía a partir de variables de funcionamiento reales (U_{Batt}, I_{Batt}, T_{Batt}) del acumulador de energía, con ayuda de un estimador de variables de estado y parámetros (1), con lo que a través del predictor de carga (2) se determina la carga que se puede tomar (Q_{e}) hasta alcanzar un criterio de final de descarga predeterminado (U_{emin}, U_{Battmin}, U_{Lastmin}).
\vskip1.000000\baselineskip
10. Procedimiento conforme a la reivindicación
9, caracterizado porque el predictor de carga (2) calcula la
carga que se puede tomar (Q_{e}) hasta alcanzar una capacidad
mínima de potencia (U_{Lastmin}), con lo que se considera una
tensión de carga (U_{Last}) que es conducida al predictor de carga
(2) a través de un predictor de tensión (1) que determina la
tensión de carga (U_{Last}) dependiendo de una evolución de
corriente de carga predeterminada (I_{Last}).
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