ES2343367T3 - Procedimiento de carga equilibrada de una bateria de ion litio o polimero de litio. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de cargado equilibrado de n celdas, con n >=q 2 constitutivos de una batería ión-litio o polímero de litio y asociadas en serie, estando compuesta cada celda de un elemento o de varios elementos montados en paralelo, procedimiento caracterizado porque, para cada operación de carga, consiste en realizar, de manera continua o cíclica a partir de un instante (t1) posterior al inicio de la operación de carga y hasta el fin normal o la interrupción anticipada de esta operación, una vigilancia de los niveles de carga de las diferentes celdas (1), y para efectuar, en función de la evaluación previa de los dichos niveles de carga, sea una alimentación uniforme de todas las celdas (1), sea un equilibrio de los dichos niveles de carga de las dichas celdas (1) que alimentan estas últimas de manera diferenciada en función de sus niveles de carga corrientes y porque consiste en conectar para cada celda (1) de la batería, las unas después de las otras, de manera secuencial, durante una duración fraccionada del tiempo total de carga de la batería (2), de las secuencias que comprenden una evaluación renovada del nivel de la carga de la celda (1) considerada, seguida, en función de su nivel de carga y con respecto al conjunto de los niveles de carga de las otras celdas (1) de la batería, de una alimentación uniforme o diferenciada, siguiendo ésta un ciclo repetitivo a todo lo largo de la operación de carga.
Description
Procedimiento de carga equilibrada de una
batería de ión litio o polímero de litio.
La presente invención se relaciona con el
dominio del cargado o de la carga de baterías recargables, y tiene
por objeto un procedimiento de cargado o de carga equilibrada, en el
tiempo, de celdas de una batería de ión litio o polímero de
litio.
El cargado eléctrico optimizado de baterías que
comprenden varias celdas constitutivas expone problemas difíciles
de resolver, particularmente cuando el número de elementos o de
celdas colocadas en serie es elevado.
Las patentes GB 2372645 y US 5773959 describen
un dispositivo de recarga de pilas de litio que comprenden un
sistema de control de carga de las celdas.
En el caso de una batería
ión-litio o polímero de litio, se añaden a estos
problemas de optimización de la carga los diferentes elementos o
celdas, los riesgos de deterioro irremediables de los dichos
elementos o de las dichas celdas en caso de sobrecarga,
particularmente por sobrecalentamiento o sobretensión.
Es conocido, por un lado, que en las baterías
que utilizan elementos ión-litio o polímero de litio
en serie los comportamientos en capacidad de cada elemento o celda
después de la carga no son idénticos y que sus diferencias se
acrecientan de ciclo en ciclo de carga y de descarga hasta el fin de
vida de la batería concerniente.
Se sabe, de otro lado, que las baterías ión
litio y polímero de litio no aceptan sobrecarga en la ocasión de
carga, ni baja carga en la ocasión de utilización (descarga). El
valor de tensión máximo retenido, a título de ejemplo y no
limitativo, para la sobrecarga para cada uno de los elementos de una
batería ión litio y polímero de litio en serie es de 4,20 voltios y
la tensión retenida para detener la descarga, y evitar así la
degradación de la batería, es de 2,70 voltios.
Se sabe igualmente que, para cada uno (a) de los
elementos o celdas de ión litio o polímero de litio, la tensión en
los bornes del elemento o de la celda es la imagen de la capacidad
almacenada en el elemento o la celda considerada. Esta indicación
de tensión no da el valor preciso de la capacidad en amperio/hora o
en vatio/hora, pero da un porcentaje de la capacidad del elemento
considerado en el momento de la medida de esta tensión.
La figura 1 de los dibujos anexos representa una
curva que muestra la evolución de la tensión en los bornes de un
elemento ión litio con respecto a su capacidad (tratándose de una
curva de descarga con corriente constante, el tiempo es
proporcional al porcentaje de la capacidad almacenada en el elemento
ión litio considerado con: 0 seg \Rightarrow 95% (4,129 voltios),
6 150 segundos \Rightarrow 50% (3,760 voltios) y 12300 segundos
\Rightarrow 0% (3,600 voltios). Se hace resaltar que sobre una
parte importante de esta curva, la capacidad es casi lineal antes
de degradarse rápidamente. Para controlar las operaciones de carga y
descarga de un elemento o de una celda ión litio, se opera en la
parte casi lineal lo que permite afirmar que la tensión es la imagen
de la capacidad.
Teniendo en cuenta estas indicaciones
desarrolladas en los tres puntos precedentes, se puede verificar
que, en una batería constituida de más de tres a cuatro elementos
ión litio o polímero de litio en serie, la carga de la batería será
suspendida cuando el elemento el más cargado haya alcanzado 4,20
voltios y, inversamente, que durante la descarga, se va a detener
éste cuando el elemento de menor capacidad haya alcanzado la tensión
de 2,70 voltios: por lo tanto es el elemento quien tiene la
capacidad más débil quien determina la capacidad global de la
batería. Esto permite comprender que, cuando la batería tiene un
número importante de elementos en serie, el riesgo de no aprovechar
la totalidad de la capacidad de la batería es real, puesto que es
éste el elemento menos capacitado el que determina de manera
limitativa
la capacidad total de la batería. Además, este fenómeno se agrava con la acumulación de los ciclos cargas/descargas.
la capacidad total de la batería. Además, este fenómeno se agrava con la acumulación de los ciclos cargas/descargas.
Este fenómeno de desequilibrio de carga es
esencialmente provocado por las diferencias de capacidad y de
resistencia interna entre los elementos constitutivos de la
batería, resultando estas diferencias de la variación de la calidad
de fabricación de los elementos ión litio o polímero de litio.
Con el fin de optimizar la capacidad de la
batería en el tiempo, lo que es muy importante para los costos de
explotación, hay que remediar el problema anotado precedentemente
realizando, antes de la detención de la carga, una compensación de
todos los elementos o de todas las celdas de la batería. Esta
compensación deberá permitir una carga al 100% de todos los
elementos cualquiera que sea su capacidad.
En la práctica del estado de la técnica actual,
esta compensación se hace al final de la carga, derivando la
corriente de carga del elemento cargado al 100%, es decir cuando
éste alcance una tensión de 4,20 voltios. Así, los elementos son
detenidos a medida que se alcanza 4,20 voltios y se obtiene así una
carga al 100% de todos los elementos al final de la operación de
carga.
Pero esta técnica conocida de compensación al
final de la carga presenta notables inconvenientes.
Así, estos sistemas de compensación necesitan
resistencias de potencia importantes para poder disipar las
corrientes consecuentes, y esto más aún cuando el sistema de
compensación entra en acción cuando las corrientes de carga son
incluso importantes, es lo que se produce cuando los elementos de la
batería están muy descompensados.
Además, esta fuerte disipación de potencia
implica una elevación consecuente de la temperatura, que puede ser
molesto en el caso de baterías compactas que integran las
resistencias de derivación.
Además, puede suceder que, a pesar de la
inyección de corrientes de carga importantes hacia el fin de la
operación de carga, la batería no esté equilibrada cuando la
condición del fin de carga sea alcanzada.
Por otro lado, es necesario igualmente resaltar
que las baterías ión-litio o polímero de litio que
pueden averiarse potencialmente de forma peligrosa peligrosamente
al final de la carga, teniendo en cuenta su naturaleza y la
cantidad de energía almacenada, estando las celdas prácticamente
cargadas en su nivel máximo.
En efecto, la aplicación de corrientes de cargas
en este estado y en esta situación, para equilibrar las celdas en
retarda de carga, implica una sobrecarga de los elementos
involucrados, que puede terminar con la exposición de estas últimas
en los casos extremos.
Finalmente, la aplicación de corrientes de carga
de fuerte intensidad acelera el envejecimiento de las celdas de la
batería y por lo tanto su eficiencia.
Por otra parte, en las aplicaciones de fuerte
potencia, los tiempos de recarga de la batería, particularmente de
recarga completa, son largos, ciertamente muy largos. Sucede
entonces frecuentemente que el tiempo de carga efectivo entre dos
fases de descarga sea demasiado corto para terminar la operación de
carga, y la carga sea entonces interrumpida mientras que los
desequilibrios entre elementos o celdas no sean entonces compensados
(en caso de presencia de un sistema de compensación al fin de la
carga o al final de la carga según el estado de la técnica). La
repetición de este fenómeno implica igualmente una degradación
rápida de la eficiencia de las baterías involucradas.
La presente invención tiene por meta proponer
una solución de carga optimizada, presentando las ventajas
precitadas y superando los inconvenientes mencionados
precedentemente en vista del estado de la técnica existente.
Para este efecto, la invención tiene por objeto
un procedimiento de cargamento equilibrado de n celdas, con n
\geq 2, constitutivos de una batería ión litio o polímero de litio
y asociadas en serie, estando cada célula compuesta de un elemento
o de varios elementos montados en paralelo, siendo este
procedimiento caracterizado porque para cada operación de carga,
consiste en realizar de manera continua o cíclica, a partir de un
instante posterior al inicio de la operación de carga concerniente
y hasta el fin normal o la interrupción anticipada de esta
operación, una vigilancia de los niveles de carga de las diferentes
celdas, y para efectuar, en función de la evaluación previa de los
dichos niveles de carga, ya sea una alimentación uniforme de todas
las celdas, o sea un reequilibrado de los dichos niveles de carga
de las dichas células alimentando estas últimas de manera
diferenciada en función de sus niveles del carga
corrientes.
corrientes.
El instante 1 a partir del cual interviene la
carga controlada de las diferentes celdas de la batería podrá ser
sea fijado por fabricación, sea resultado de un reglaje único
después de la aplicación o eventualmente ser regulable por el
usuario o por una persona habilitada (personal de mantenimiento
especializado).
Es muy evidente que cuanto más el instante t1
esté cerca del instante t0 del inicio de la operación de carga, los
niveles de carga de las diferentes celdas serán equilibrados e
igualados más pronto y por lo tanto evitados los desequilibrios
importantes, particularmente en caso de la interrupción de la carga
antes de su fin normal (incidente de carga, disfuncionamiento,
corte voluntario de la carga por el usuario,...).
Así, teniendo en cuenta estas últimas
consideraciones, el instante t1 podrá ser fijado inmediatamente
después de la ejecución de un cierto número de pruebas de los
medios de carga y de las celdas, consecutivo al inicio de una
operación de carga.
Sin embargo, puede preverse igualmente, cuando
las diferentes celdas presentan características muy similares y/o
cuando ningún impedimento de la limitación del tiempo de carga es
susceptible de intervenir, que el instante t1 sea separado
temporalmente del instante t0 de una fracción de la duración de
carga máxima teórica de las celdas de la batería, limitando así la
fase de alimentación controlada con el eventual equilibrio de las
diferentes celdas de la batería, así como el número de ciclos de
las diferentes operaciones secuenciales de medida, de evaluación y
de alimentación diferenciada.
Finalmente, puede también preverse que el
instante t1 varía en el curso de la duración de la vida de la
batería, siendo relativamente separado del instante t0 del inicio
de carga o de recarga cuando la batería es nueva y estando más
próximo de ese instante t0 el final de la vida de la dicha batería
(generalmente después de varias centenas de ciclos de
carga/descarga).
En efecto, para una batería nueva, de buena
calidad, las diferentes celdas que la componen tienen generalmente
un estado de propiedades y de características sensiblemente
similares.
Por consiguiente, su carga se efectúa de manera
casi equilibrada y sólo un ligero equilibrio por alimentación
diferenciada es necesario al final de la carga.
Sin embargo, las baterías envejecidas, incluso
aquellas que hayan presentado celdas casi similares en el nuevo
estado, tienen un estado de las celdas cuyas características y
propiedades son netamente diferentes entre ellas y que alcanzan al
final de la carga niveles de carga muy variables en ausencia de
compensación o de equilibrio durante la carga. En este caso, la
carga equilibrada según la invención deberá intervenir desde una
fase precoz de la carga, es decir, prácticamente inmediatamente
después del inicio de la operación de carga o de recarga.
Así, puede igualmente preverse una modificación
automática, por ejemplo por decremento en cada nueva operación de
carga del intervalo temporal t1-t0 del instante t1
de carga equilibrada según la invención, pudiendo entonces
efectuarse la carga entre t0 y t1 de manera clásica, sin control y
ajuste eventual de la alimentación de las diferentes celdas.
Podrá preverse eventualmente de la misma forma
una prueba al inicio de la utilización de una batería nueva o antes
de su expedición por el fabricante, indicando o fijando un valor t1
inicial o un parámetro que permite determinar este valor.
Así, el intervalo t1-t0 podrá
variar, por ejemplo prácticamente algunos segundos con varias
decenas de porcentaje de la duración total teórica de la carga de
la batería.
Las etapas de procedimiento anotadas más arriba
pueden ser empleadas de dos maneras diferentes, reposando sobre dos
implementaciones tecnológicas diferentes.
Así, empleando una solución basada esencialmente
sobre una tecnología analógica, la vigilancia de los niveles de
carga se efectúan de manera continua y la alimentación diferenciada
se realiza, después del instante1, desde que, y así durante, los
diferentes niveles de carga entre celdas, las más cargadas y celdas
menos cargadas, que sobrepasan un valor de umbral
predeterminado.
En una variación, empleando una solución
preferida se hace intervenir un tratamiento numérico de los signos
y una gestión de procedimiento por una unidad de tratamiento
numérico, la vigilancia de los niveles de carga se efectúa por
medidas repetidas y la alimentación diferenciada aplicada durante
una duración predefinida, en caso de verificación de las
condiciones de desequilibrio de los niveles de carga requeridos.
Esta segunda solución permite simplificar a la
vez la implementación material y logística necesaria para la
aplicación del procedimiento.
En relación con esta segunda solución, el
procedimiento consiste preferencialmente en conectar para cada celda
de la batería, las unas después de las otras, de manera secuencial
durante una duración fraccionada del tiempo total de carga de la
batería, secuencias que comprenden una evaluación retocada del nivel
de la carga de la celda considerada, seguida, en función de su
nivel de carga y por relación al conjunto de los niveles de carga
de las otras células de la batería, de una alimentación uniforme o
diferenciada, siguiendo ésta un ciclo repetitivo a partir del
instante1y a todo lo largo del desarrollo consecutivo de la
operación de carga.
Según un modo de realización ventajoso de la
invención, el dicho procedimiento comprende al menos la ejecución
de las operaciones siguientes bajo la gestión de una unidad de
tratamiento numérico, y esto desde el inicio de la carga:
- -
- evaluación, preferencialmente a intervalos regulares de la cantidad de energía almacenada en cada celda por la medida de un parámetro indicativo de la dicha cantidad;
- -
- análisis comparativo de las diferentes cantidades de energía evaluadas o de los diferentes valores de parámetro medido;
- -
- determinación de la celda que más tarda en cargarse y, en caso dado de la o de las celdas la o las que más avanzan en cargar;
- -
- alimentación de las diferentes celdas montadas en serie de manera uniforme o con limitación de corriente de carga para las celdas diferentes a las que más tardan en cargar o para la o las celdas las más avanzadas en cargar, por derivación de la totalidad o de una parte de la dicha corriente al nivel de ésta o de estas últimas;
- -
- repetición secuencial de las diferentes operaciones precitadas hasta la obtención de un estado de fin de carga de la batería o de la detección de un defecto, de un disfuncionamiento o de un excedente de valor admisible de umbral.
Las experiencias y trabajos de la solicitante
han demostrado que un tal procedimiento de equilibrio secuencial
repartida a todo lo largo de la carga permite tener todos los
elementos o celdas que constituyen la batería cargados al mismo
porcentaje en un instante dado de la carga, y con mayor motivo de
alcance una capacidad de 100% para todos los elementos que
constituyen la batería el final de carga normal y esto
independientemente de su propia capacidad.
Incluso, en caso de interrupción de la operación
de carga antes de su fin normal, se garantizará un nivel de carga
sensiblemente idéntico para todas las celdas.
La invención será mejor comprendida, gracias a
la descripción a continuación, que se reporta con un modo de
realización preferido, dado a título de ejemplo no limitativo, y
explicado con referencia a los dibujos esquemáticos anexos, en los
cuales:
la figura 2 de los dibujos anexos es un esquema
sinóptico de un dispositivo para la aplicación del procedimiento
según la invención;
la figura 3 es un esquema más detallado del
dispositivo representado sobre la figura 2, según una variante de
realización de la invención;
la figura 4 es un ordinograma que muestra
esquemáticamente las diferentes etapas del procedimiento según un
modo de realización de la invención (en este ordinograma, hay que
entender por el término "elemento", un elemento o una celda
con varios elementos en paralelo) y,
la figura 5 representa cronogramas que ilustran
a título de ejemplo no limitativo, para una batería de doce celdas,
las operaciones ejecutadas durante un ciclo de carga con
compensación de procedimiento según la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta última tiene por objeto un procedimiento de
cargamento o de carga equilibrada de n celdas 1, con n \geq 2,
constitutivos de una batería ión-litio o polímero de
litio 2 y asociadas en serie, estando cada celda 1 compuesta de un
elemento de varios elementos montados en paralelo.
Conforme con un modo de operación ventajoso de
la invención, este procedimiento comprende para cada operación, al
menos la ejecución de las operaciones siguientes bajo la gestión de
una unidad de tratamiento numérico, y este a partir de un instante1
posterior al inicio de la operación de carga:
- -
- evaluación, preferencialmente a intervalos regulares de la cantidad de energía almacenada en cada celda 1 por la medida de un parámetro indicativo de la dicha cantidad;
- -
- análisis comparativo de las diferentes cantidades de energía evaluada sobre los diferentes valores de parámetro medido;
- -
- determinación de la celda 1 la más retardada en cargarse y, en el caso dado, del lado de las celdas 1 la o las más avanzadas en cargarse;
- -
- alimentación de las diferentes celdas 1 montadas en serie de manera uniforme con limitación de la corriente de carga para las celdas 1 diferentes a las más retardadas en cargarse para la o las celdas más avanzadas en cargarse, por derivación de la totalidad o de una parte de la dicha corriente al nivel de ésta o de estas últimas;
- -
- repetición secuencial de las diferentes operaciones precitadas hasta la obtención de un estado de fin de carga de la batería 2 o de la detección de un defecto, de un disfuncionamiento o de un excedente del valor de umbral admisible.
Preferencialmente, el parámetro medido al nivel
de cada celda 1 y utilizado para la evaluación de la cantidad de
energía almacenada en ésta, se considera tensión en los bornes de la
celda 1.
Como se indicó anteriormente, las limitaciones
de corriente de carga pueden eventualmente afectar todas las celdas
avanzadas de carga con respecto a la celda menos cargada, en el caso
dado con grados de limitación de alimentación diferentes.
Sin embargo, para exponer aún más las fases
activas de equilibrado, la invención prevé ventajosamente que solo
la o las celdas en donde el o los niveles de carga estén (sean) los
más avanzados sobre los de la celda la menos cargada (durante una
duración fraccionada n dada), será (serán sometidos) a una
limitación de su o de sus cargas (durante la duración fraccionada n
+ 1). Así, las celdas cuyo nivel de carga no sean más que
ligeramente superior al de la celda la menos cargada, continuarán su
carga normalmente.
La discriminación entre las celdas sometidas a
una limitación temporal de la carga y las que no lo sean (durante
una duración fraccionada de la duración total de la carga), puede
por ejemplo desprenderse de la situación (en términos de valores),
niveles de carga de estas células con relación a un valor de umbral
dado para [valor de la carga de la celda menos cargada + delta
(\Delta)].
Por otro lado, adoptando la estrategia de
limitar la corriente de carga de las celdas las más cargadas es a
todo lo largo del desarrollo de la carga de la batería a partir del
instante1, en lugar de alcanzar el fin de la dicha carga, la
invención permite evitar cualquier riesgo de sobrecarga de la
batería 2 del hecho de una compensación tardía y garantizando
tensiones equilibradas al nivel de las celdas 1 al final de la
carga.
Por otra parte, en el inicio del equilibrio
desde el instante 1 con continuación de su acción a todo lo largo
de la fase consecutiva de operación de carga, es posible garantizar
que la batería sea sensiblemente equilibrada poco después del
instante t1 y a todo lo largo de la fase consecutiva, es decir
incluso en caso de interrupción de la carga antes de su terminación
normal.
Según una característica ventajosa de la
invención, la derivación de la corriente al nivel de la o de las
celdas 1 las más avanzadas en carga se realiza por medio de
circuitos de derivación 4 asociados cada uno, por un montaje en
paralelo 4 con una de las dichas celdas 1 (un circuito 4 para cada
celda 1), e integrando los dichos circuitos 4 cada uno un órgano
de conmutación 5 y, en el caso dado, al menos un compuesto de
disipación de energía eléctrica 6, eventualmente regulable, tal
como por ejemplo una resistencia eléctrica (figuras 2 y 3).
El órgano de conmutación 5 podrá, por ejemplo,
ser escogido entre el grupo formado por las redes electromecánicas
o electrónicas, los transistores bipolares o con efecto de campo o
análogos.
Además, estando la derivación de energía unida
al equilibrio de cargas de las diferentes celdas 1 repartidas sobre
una gran parte, ver el caso dado la casi totalidad de la duración de
la carga, el componente de conmutación 5, así como el componente de
disipación 6.
Conforme a un modo de realización preferido de
la invención, la carga con compensación secuencial consiste más
precisamente para realizar, a partir del instante t1 y ión
repitiéndolos a todo lo largo de la carga consecutiva de la batería
2, con las operaciones siguientes:
- a)
- escrutar un par o todas las celdas 1 de la batería 2 midiendo las tensiones en sus bornes, esto sin que la resistencia 6 de la derivación o de la compensación estén conectadas;
- b)
- detectar la celda 1 la más retardada en cargarse;
- c)
- detectar las celdas 1 que, con respecto a la celda 1 la menos cargada o la más retardada en cargarse, tiene una sobrecarga superior a un valor de umbral predeterminado de desviación de capacidad, por ejemplo correspondiente a una diferencia de tensión (dVs) de 10 mV;
- d)
- conectar individualmente cada celda 1 detectada con una sobrecarga superior al valor de umbral de una resistencia de compensación 6 correspondiente, de manera que desemboque en una disminución de corriente de carga para cada una de las celdas 1 concernientes, por ejemplo aproximadamente 10%, durante una duración secuencial predeterminada, por ejemplo de dos segundos;
- e)
- para desconectar las resistencias de compensación 6 de todas las celdas 1 después de la desviación de la duración secuencial predeterminada;
- f)
- para efectuar de nuevo las etapas a) a e) después del flujo de un retraso de estabilización de tensiones de las celdas 1.
La carga de la batería es detenida normalmente
cuando la intensidad de corriente de carga global del conjunto de
las celdas de esta última desciende por debajo de un valor de umbral
predefinido, por ejemplo a 50 mA.
A título de ejemplo de aplicación práctica de la
invención, las potencias de los diferentes circuitos de la
derivación 4 son escogidos próximos a los valores provistos por la
fórmula siguiente:
en la
cual:
- Psd max =
- potencia máxima optimizada que será disipada expresada en Vatios;
- V max cell =
- la tensión máxima medida durante la carga en los bornes de una celda expresada en voltios;
- % =
- relación expresada en porcentaje, que corresponde a la desviación máxima entre dos celdas que se desea recuperar sobre una carga;
- AH =
- capacidad nominal de la batería expresada en Ah (Amperio - hora);
- Tc =
- Tiempos de carga de la batería expresado en horas.
Además, para llegar a una regulación precisa y
progresiva de la carga de cada celda 1, la tensión en los bornes de
cada celda 1 se mide de manera precisa por un conjunto 7 de módulos
de medida 7' correspondientes, en donde los signos de salida se
transmiten, ventajosamente después de la numeración, con la unidad
de tratamiento numérico 3, este último comandante, en el ciclo
siguiente, los órganos de conmutación 5 de los diferentes circuitos
de derivación 4 en función de la evolución comparativa de los dichos
signos de salida y provistos por los módulos 7'.
Conforme a un modo de realización muy ventajoso
de la invención, se destaca a título de ejemplo de las figuras 4 y
5, las operaciones son repetidas, a partir del instante t1 durante
cualquier operación de carga consecutiva mientras que los bucles
cíclicos formados de los dos semiciclos operacionales, ejecutados
sucesivamente en cada bucle de ciclo, un primer semiciclo que
comprende la ejecución consecutiva de las operaciones siguientes:
lectura sucesiva de las tensiones de las diferentes celdas 1 y
defasado en el tiempo, de la resistencia de compensación 6 para
cada celda 1 en donde la diferencia de tensión (dV) con la celda 1
la más retardada en cargarse del ciclo precedente es superior a un
valor de umbral (dVs), y el segundo semiciclo que comprende las
operaciones siguientes: desconexiones sucesivas de las resistencias
de equilibrio 6 de las diferentes células 1 y alcance de la
estabilización de las tensiones de las diferentes celdas 1 antes de
su lectura durante el primer semiciclo del ciclo siguiente, los dos
semiciclos que presentan preferencialmente duraciones sensiblemente
similares, por ejemplo de aproximadamente 2s.
Gracias a las repeticiones cíclicas de las
operaciones de los dos semiciclos (con una duración de ciclo de por
ejemplo 4s), a todo lo largo del procedimiento de carga de la
batería 2, es decir hasta la circunstancia de un suceso de fin de
carga o de una información de seguridad, todas las celdas 1 (y el
elemento o los elementos que componen cada una de estas últimas)
que presentan en cualquier momento una débil dispersión de capacidad
(del hecho de las conexiones de carga constantes entre celdas) y
recuperan de manera óptima el máximo de sus comportamientos.
Además, el procedimiento según la invención
permite aceptar el inicio de la carga de las diferencias de niveles
de carga importantes entre celdas 1, y estando "la
recuperación" o la compensación repartida entre el instante t1 y
el fin del procedimiento de carga de la batería 2.
Según una primera variante, puede ser previsto
que el valor de umbral de diferencia de tensión dVs consiste en un
primer valor fijado predeterminado V1, por ejemplo 10 mV, si la
diferencia de tensión dV entre la tensión de la celda 1 que
presenta la tensión más elevada y la tensión de la celda 1 que
presenta la tensión más débil es inferior a un segundo valor fijo
predeterminado V2, superior al primer valor de umbral predeterminado
V1, por ejemplo 100 mV.
Además, puede también preverse igualmente que,
si la diferencia de tensión dV entre la tensión de la celda 1 que
presenta la tensión más elevada y la tensión de la celda 1 que
presenta la tensión la más débil es superior a un segundo valor
fijo predeterminado V2, por ejemplo 100 mV, el valor de umbral de
diferencia de tensión dVs consiste en un tercer valor fijado
predeterminado V3 inferior al dicho segundo valor V2, por ejemplo 30
mV.
Preferencialmente, el tercer valor fijado
predeterminado V3 es superior al dicho primer valor fijo
predeterminado V1.
Según una segunda variante, puede, de manera
alternativa, ser previsto que el valor de umbral de diferencia de
tensión dVs corresponde a una fracción dada de la diferencia de
tensión dV, medida durante el ciclo precedente entre la tensión de
la celda 1 que presenta la tensión más elevada y la tensión de la
celda 1 que presenta la tensión más débil, si durante el ciclo en
curso la dicha diferencia de tensión dV es incluso superior a un
decimocuarto valor fijo predeterminado V4, por ejemplo 10 mV.
Ventajosamente en cada uno de las dos variantes
precitadas, y como ya se mencionó precedentemente, las medidas de
tensión a los niveles de las diferentes celdas 1 no son efectuadas
más que después del flujo de un retraso dado, por ejemplo dos
segundos, es seguido a la supresión de las derivaciones de
corriente, de manera que se autorice una estabilización de las
tensiones en los bornes de las dichas celdas 1.
Con el fin de preservar las celdas 1 de la
batería 2 de posibles exposiciones a sobretensiones, el programa de
gestión de la carga, cuyo organigrama puede por ejemplo corresponder
al representado en la figura 4, puede comprender la ejecución de un
cierto número de pruebas antes del inicio de la carga y en el
transcurso y al final de la carga.
Así el procedimiento de carga puede consistir,
al inicio, antes del arranque de la ejecución de las operaciones de
carga, para medir la tensión al vacío V0 del cargador 8 ramificado
sobre la bateria 2 en vista de su carga, y en detener el dicho
procedimiento de carga, con la desconección eventual de una alarma
correspondiente y/o la representación visual de un mensaje, si la
dicha tensión en vacío Vo es superior a [n x tensión máxima
admitible Vmax para cada celda1].
Incluso, el dicho procedimiento puede igualmente
consistir antes de la ejecución de un bucle o de un ciclo
siguiente, para verificar si una o al menos una de las celdas 1 de
la batería 2 presenta en sus bornes una tensión superior a la
tensión máxima admisible Vmax (por ejemplo y no limitativamente 4,23
V) y, en el caso afirmativo, interrumpir el procedimiento de carga,
eventualmente con desconección de una alarma correspondiente y/o la
representación visual de un mensaje.
La presente invención tiene igualmente por
objeto un dispositivo para el empleo del procedimiento descrito
precedentemente, en donde los principales elementos constitutivos
son representados esquemáticamente en las figuras 2 y 3.
Este dispositivo está esencialmente constituido,
de una parte, por un conjunto 7 de módulos 7' de medidas de la
tensión asociados cada uno a una de las celdas 1 en serie formando
la batería 2 y midiendo las tensiones en los bornes de éstas, de
otra parte, por una pluralidad de circunstancias de derivación 4
montadas cada una en paralelo en los bornes de una celda 1
correspondiente y que pueden cada una estar abierta y cerradas
selectivamente, y, finalmente por una unidad 3 de tratamiento
numérico y de gestión de procedimiento, comandando la dicha unidad
3 que recibe los signos de medida de dicho ensamble 7 de módulos de
medida de la tensión 7', el estado [cerrado/abierto] de cada
circuito de derivación 4.
Los módulos 7' que consistirán por ejemplo en
circuitos de medida diferencial de tensión para un amplificador
operacional, con una precisión de medida de al menos 50 mV.
Ventajosamente, cada circuito de derivación 4
comprende un órgano de conmutación 5 formando un interruptor y cuyo
estado es comandado por la unidad de tratamiento numérico 3 y, en el
caso dado, al menos un componente 6 de disipación de energía
eléctrica, tal como por ejemplo una o varias resistencias.
Como lo muestra la Figura 3 de los dibujos
anexos, y según un modo de realización preferida de la invención,
el conjunto 7 de los módulos 7' de medida de la tensión comprende,
de una parte, n módulos analógicos 7' de medida de la tensión,
asociado cada uno directamente a una celda 1 de la batería 2, de
otra parte, un circuito multiplexer 9 cuyas entradas están
conectadas a las salidas de los dichos módulos 7' y, finalmente, un
circuito convertidor analógico/numérico 10 que conectado a la
entrada y a la salida del circuito multiplexer 9 y en salida con la
unidad de tratamiento numérico y de gestión 3.
En relación con una aplicación preferida, pero
no limitativa a la invención. El dispositivo representado en las
figuras 2 y 3 puede ser integrado ventajosamente en un conjunto de
herramienta eléctrica autónoma de potencia.
Para este objeto, conviene notar que los
circuitos de derivación 4 asociados individualmente a las celdas 1
de la batería 2, podrán igualmente ser utilizados para eventualmente
ajustar las cargas de las dichas celdas 1 con un nivel compatible
con almacenamiento de larga duración, sin utilización, de la dicha
batería 2.
Por supuesto, la invención no está limitada a
los módulos de realización descritos y representados en los dibujos
anexos. Las modificaciones que permanecen posibles, particularmente
desde el punto de vista de la constitución de los diversos
elementos o por sustitución de equivalentes técnicos, sin salir por
lo tanto del dominio de protección de la invención.
Claims (21)
1. Procedimiento de cargado equilibrado de n
celdas, con n \geq 2 constitutivos de una batería
ión-litio o polímero de litio y asociadas en serie,
estando compuesta cada celda de un elemento o de varios elementos
montados en paralelo, procedimiento caracterizado porque,
para cada operación de carga, consiste en realizar, de manera
continua o cíclica a partir de un instante (t1) posterior al inicio
de la operación de carga y hasta el fin normal o la interrupción
anticipada de esta operación, una vigilancia de los niveles de carga
de las diferentes celdas (1), y para efectuar, en función de la
evaluación previa de los dichos niveles de carga, sea una
alimentación uniforme de todas las celdas (1), sea un equilibrio de
los dichos niveles de carga de las dichas celdas (1) que alimentan
estas últimas de manera diferenciada en función de sus niveles de
carga corrientes y porque consiste en conectar para cada celda (1)
de la batería, las unas después de las otras, de manera secuencial,
durante una duración fraccionada del tiempo total de carga de la
batería (2), de las secuencias que comprenden una evaluación
renovada del nivel de la carga de la celda (1) considerada, seguida,
en función de su nivel de carga y con respecto al conjunto de los
niveles de carga de las otras celdas (1) de la batería, de una
alimentación uniforme o diferenciada, siguiendo ésta un ciclo
repetitivo a todo lo largo de la operación de carga.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque consiste en conectar para cada célula
(19 de la batería, unas después de las otras, de forma secuencial,
durante una duración fraccionaria del tiempo total de carga de la
batería 82), secuencias que comprenden una evaluación renovada del
nivel de la carga de la célula (1) considerada, seguida, en función
de su nivel de carga y en relación con el conjunto de los niveles
de carga de otras células (1) de la batería, de una alimentación
uniforme o diferenciada, la cual sigue un ciclo repetitivo a partir
del instante T_{1}) y todo a lo largo del desarrollo consecutivo
de la operación de carga.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizada porque comprende al menos la ejecución de las
operaciones siguientes bajo la gestión de una unidad de tratamiento
numérico 3, y éste desde el inicio del instante (t_{1}):
- -
- evaluación, preferencialmente en intervalos regulares, de la cantidad de energía almacenada en cada celda (1) por la medida de un parámetro indicativo de la dicha cantidad;
- -
- análisis comparativo de las diferentes cantidades de energía evaluadas o de los diferentes valores del parámetro medido sobre cada celda (1);
- -
- determinación de la celda (1) la más retardada en cargarse y, en el caso dado de la o de las celdas la o las más avanzadas en cargarse;
- -
- alimentación de las diferentes celdas (1) montadas en serie de manera uniforme o con limitación de la corriente de carga para las celdas (1) diferentes que las más retardadas en cargarse o para la o las celdas las más avanzadas en cargarse, por derivación de la totalidad o de una parte de la dicha corriente al nivel de ésta o de éstas últimas;
- -
- repetición secuencial de las diferentes operaciones precitadas hasta la obtención de un estado de fin de carga de la batería (2) o de la detección de un defecto, de un disfuncionamiento o de un excedente del valor de umbral admisible.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el parámetro medido al nivel de cada
celda (1) y utilizado para la evaluación de la cantidad de energía
almacenada en ésta, es la tensión en los bornes de la celda (1)
considerada.
5. Procedimiento según la reivindicación 3 o la
reivindicación 4, caracterizado porque la derivación de
corriente al nivel de la o de las celdas (1) las más avanzadas en
cargarse se realiza por medio de circuitos de derivación (4)
asociados cada uno, por un montaje en paralelo a una de las dichas
celdas (1) integrando los dichos circuitos (4) cada uno un órgano
de conmutación (5) y, en el caso dado, al menos un compuesto de
disipación de energía (6), eventualmente regulable, tal como por
ejemplo una resistencia eléctrica.
6. Procedimiento según las reivindicaciones 4 y
5, caracterizado porque el cargado con compensación
secuencial consiste más precisamente en realizar, a partir del
instante (t_{1}) y repitiéndolas todo a lo largo de la carga de
la batería (2), las siguientes operaciones:
- a)
- escrutar una por una todas las celdas (1) de la batería (2) midiendo las tensiones en sus bornes, esto sin que estén conectadas la resistencia (6) de derivación o de compensación;
- b)
- detectar la celda (1) la más retardada en cargarse;
- c)
- detectar las celdas (1) que, con respecto a la celda (1) la menos cargada o la más retardada en cargarse tenga una sobrecarga superior a un valor de umbral predeterminado de tolerancia de capacidad, por ejemplo correspondiente a una diferencia de tensión (dVs) de 10 mV;
- d)
- conectar individualmente cada celda (1) detectada con una sobrecarga superior al valor de umbral en una resistencia de compensación (6) correspondiente, de manera que se obtenga una disminución de la corriente de carga para cada una de las celdas (1) concernientes, por ejemplo de aproximadamente 10%, durante una duración secuencial predeterminada, por ejemplo de dos segundos;
- e)
- en desconectar las resistencias de compensación (6) de todas las celdas (1) después del flujo de la duración secuencial predeterminada;
- f)
- para efectuar de nuevo las etapas a) a e) después del flujo de un retraso de estabilización de las tensiones de las celdas (1).
\vskip1.000000\baselineskip
7. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la carga de la
batería (2) es detenida normalmente cuando la intensidad de la
corriente de carga global del conjunto de las celdas (1) de ésta
última desciende por debajo de un valor de umbral predefinido, por
ejemplo a 50 mA.
8. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque la tensión en
los bornes de cada celda (1) es medida de manera precisa por un
conjunto (7) de módulos de medida (7') correspondientes, cuyos
signos de salida son transmitidos, ventajosamente después de la
numerización, con la unidad de tratamiento numérico (3), comandando
éste último, en el ciclo siguiente, los órganos de conmutación (5)
de los diferentes circuitos de derivación (4) en función de la
evolución comparativa de los dichos signos de salida provistos por
los módulos
(7').
(7').
9. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque las operaciones
son repetidas a partir del instante (t_{1}) y durante toda la
operación de carga, en tanto que el bucle ciclo formado de dos
semiciclos operacionales, ejecutados sucesivamente en cada buclaje
de ciclo, un primer ciclo que comprende la ejecución consecutiva de
las operaciones siguientes: lectura sucesiva de las tensiones de
las diferentes celdas (1) y la desonección defasada en el tiempo, de
la resistencia de compensación (6) para cada celda (1) en donde la
diferencia de tensión (dV) con la celda (1) la más retardada en
cargarse del ciclo precedente es superior a un valor de umbral
(dVs), y el segundo semiciclo que comprende las operaciones
siguientes: desconexiones sucesivas de las resistencias de
compensación (6) de las diferentes celdas (1) y alcance de la
estabilización de las tensiones de las diferentes celdas (1) antes
de su lectura durante el primer semiciclo del ciclo siguiente, los
dos semiciclos que presentan preferencialmente las duraciones
sensiblemente similares, por ejemplo de aproximadamente 2s.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque el valor de umbral de diferencia de
tensión (dVs) consiste en un primer valor fijo predeterminado (V1),
por ejemplo 10 mV, si la diferencia de tensión (dV) entre la
tensión de la celda (1) que presenta la tensión la más elevada y la
tensión de la celda (1) que presenta la tensión la más débil es
inferior a un segundo valor fijo predeterminado (V2), superior al
primer valor de umbral predeterminado (V1), por ejemplo 100 mV.
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque, si la diferencia de tensión (dV) entre
la tensión de la celda (1) que presenta la tensión la más elevada y
la tensión de la celda (1) que presenta la tensión la más débil es
superior a un segundo valor fijo predeterminado (V2), por ejemplo
100 mV, el valor de umbral de diferencia de tensión (dVs) consiste
en un tercer valor fijo predeterminado (V3) inferior al dicho
segundo valor (V2), por ejemplo 30 mV.
12. Procedimiento según las reivindicaciones 10
y 11, caracterizado porque el tercer valor fijo
predeterminado (V3) es superior al dicho primer valor fijo
predeterminado (V1).
13. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque el valor de umbral de diferencia de
tensión (dVs) corresponde a una fracción dada de la diferencia de
tensión (dV), medida durante el ciclo precedente entre la tensión
de la celda (1) presentando la tensión más elevada que la tensión de
la celda (1) presentando la tensión más débil, si durante el ciclo
en curso la dicha diferencia de tensión (dV) es incluso superior a
un cuarto valor fijo predeterminado (V4), por ejemplo 10 mV.
14. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque las medidas de
tensión al nivel de las diferentes celdas (1) no son efectuadas más
que después del transcurso de un retraso dado, por ejemplo dos
segundos, seguido con la supresión de las derivaciones de corriente,
de manera que autoricen una estabilización de las tensiones en los
bornes de las dichas celdas (1).
15. Procedimiento según la reivindicación 4 o
una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 14 tomadas en combinación
con la reivindicación 5, caracterizado porque las potencias
de los diferentes circuitos de derivación (4) son escogidos
próximos a los valores provistos por la fórmula:
en la
cual:
- Psd max =
- potencia máxima optimizada para disipar expresada en vatios;
- V max cell =
- la tensión máxima medida durante la carga a los bornes de una celda expresada en voltios;
- % =
- relación expresada en porcentaje, correspondiente a la desviación máxima entre dos celdas que se desea recuperar sobre una carga;
- AH =
- capacidad nominal de la batería expresada en Ah (Amperio hora);
- Tc =
- Tiempos de carga de la batería expresada en horas.
16. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 15, caracterizado porque consiste, al
inicio, antes del arranque de la ejecución de operaciones, en medir
la tensión de vacío (Vo) de un cargador (8) ramificado sobre la
batería (2) en vista de su carga y en detener el dicho proceso de
cargado, con la eventual desconección de una alarma correspondiente
y/o la representación visual de un mensaje, si la dicha tensión en
vacío (Vo) es superior a [n x tensión máxima admisible (Vmax) para
cada celda (1)].
17. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 9 a 16, caracterizado porque consiste antes
de la ejecución de un siguiente bucle, en verificar si una al menos
de las celdas (1) de la batería (2) presenta en sus bornes una
tensión superior a la tensión máxima admisible (Vmax) y, en el caso
afirmativo, en interrumpir el procedimiento de cargado,
eventualmente con desconección de una alarma correspondiente y/o la
representación visual de un mensaje.
18. Dispositivo para la aplicación del
procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17,
caracterizado porque está esencialmente constituido, de una
parte, por un conjunto (7) de módulos (7') de medida de la tensión
asociados cada uno a una de las celdas (1) en serie que forman la
batería (2) y que miden las tensiones en los bornes de ésta, de
otra parte, por una pluralidad de circuitos de derivación (4)
montados cada uno en paralelo en los bornes de una celda (1) que
corresponde y que puede cada una ser abierta o cerrada
selectivamente, y, finalmente por una unidad (3) de tratamiento
numérico y de gestión del procedimiento, recibiendo la dicha unidad
(3) los signos de medida del dicho conjunto (7) de los módulos de
medida de la tensión (7') y que comanda el estado [cerrado/abierto]
de cada circuito de derivación (4).
19. Dispositivo según la reivindicación18,
caracterizado porque cada circuito de derivación (4)
comprende un órgano de conmutación (5), formando un interruptor y
cuyo estado está comandado por la unidad de tratamiento numérico
(3) y, si llega el caso, al menos un componente (6) de disipación de
energía eléctrica, tal como por ejemplo una o varias
resistencias.
20. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 18 y 19, caracterizado porque el conjunto
(7) de los módulos (7') de medida de la tensión comprende, de una
parte, n módulos analógicos (7') de medida de la tensión, asociado
cada uno directamente a una celda (1) de la batería (2) de una
parte, a un circuito multiplexor (9) cuyas entradas están
conectadas a las salidas de los dichos módulos (7') y, finalmente,
un circuito convertidor analógico/numérico (10) unido a la entrada
y a la salida del circuito multiplexor (9) y en salida a la unidad
de tratamiento numérico y de gestión (3).
21. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 18 a 20, caracterizado porque está integrado
en un conjunto de herramientas eléctricas autónomas de
potencia.
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