ES2343367T7 - Procedimiento de carga equilibrada de una batería de ión litio o polímero de litio - Google Patents

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Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de carga equilibrada de una baterla de ion litio o pollmero de litio
La presente invencion se relaciona con el dominio del cargado o de la carga de baterlas recargables, y tiene por objeto un procedimiento de cargado o de carga equilibrada, en el tiempo, de celdas de una baterla de ion litio o pollmero de litio.
El cargado electrico optimizado de baterlas que comprenden varias celdas constitutivas expone problemas diflciles de resolver, particularmente cuando el numero 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 baterla ion-litio o pollmero de litio, se anaden a estos problemas de optimizacion 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 sobretension.
Es conocido, por un lado, que en las baterlas que utilizan elementos ion-litio o pollmero de litio en serie los comportamientos en capacidad de cada elemento o celda despues de la carga no son identicos y que sus diferencias se acrecientan de ciclo en ciclo de carga y de descarga hasta el fin de vida de la baterla concerniente.
Se sabe, de otro lado, que las baterlas ion litio y pollmero de litio no aceptan sobrecarga en la ocasion de carga, ni baja carga en la ocasion de utilizacion (descarga). El valor de tension maximo retenido, a tltulo de ejemplo y no limitativo, para la sobrecarga para cada uno de los elementos de una baterla ion litio y pollmero de litio en serie es de 4,20 voltios y la tension retenida para detener la descarga, y evitar as! la degradacion de la baterla, es de 2,70 voltios.
Se sabe igualmente que, para cada uno (a) de los elementos o celdas de ion litio o pollmero de litio, la tension en los bornes del elemento o de la celda es la imagen de la capacidad almacenada en el elemento o la celda considerada. Esta indicacion de tension 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 tension.
La figura 1 de los dibujos anexos representa una curva que muestra la evolucion de la tension en los bornes de un elemento ion litio con respecto a su capacidad (tratandose de una curva de descarga con corriente constante, el tiempo es proporcional al porcentaje de la capacidad almacenada en el elemento ion litio considerado con: 0 seg ^ 95% (4,129 voltios), 6 150 segundos ^ 50% (3,760 voltios) y 12300 segundos ^ 0% (3,600 voltios). Se hace resaltar que sobre una parte importante de esta curva, la capacidad es casi lineal antes de degradarse rapidamente. Para controlar las operaciones de carga y descarga de un elemento o de una celda ion litio, se opera en la parte casi lineal lo que permite afirmar que la tension es la imagen de la capacidad.
Teniendo en cuenta estas indicaciones desarrolladas en los tres puntos precedentes, se puede verificar que, en una baterla constituida de mas de tres a cuatro elementos ion litio o pollmero de litio en serie, la carga de la baterla sera suspendida cuando el elemento el mas cargado haya alcanzado 4,20 voltios y, inversamente, que durante la descarga, se va a detener este cuando el elemento de menor capacidad haya alcanzado la tension de 2,70 voltios: por lo tanto es el elemento quien tiene la capacidad mas debil quien determina la capacidad global de la baterla. Esto permite comprender que, cuando la baterla tiene un numero importante de elementos en serie, el riesgo de no aprovechar la totalidad de la capacidad de la baterla es real, puesto que es este el elemento menos capacitado el que determina de manera limitativa la capacidad total de la baterla. Ademas, este fenomeno se agrava con la acumulacion de los ciclos cargas/descargas.
Este fenomeno de desequilibrio de carga es esencialmente provocado por las diferencias de capacidad y de resistencia interna entre los elementos constitutivos de la baterla, resultando estas diferencias de la variacion de la calidad de fabricacion de los elementos ion litio o pollmero de litio.
Con el fin de optimizar la capacidad de la baterla en el tiempo, lo que es muy importante para los costos de explotacion, hay que remediar el problema anotado precedentemente realizando, antes de la detention de la carga, una compensation de todos los elementos o de todas las celdas de la baterla. Esta compensation debera permitir una carga al 100% de todos los elementos cualquiera que sea su capacidad.
En la practica del estado de la tecnica actual, esta compensacion se hace al final de la carga, derivando la corriente de carga del elemento cargado al 100%, es decir cuando este alcance una tension de 4,20 voltios. Asl, los
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elementos son detenidos a medida que se alcanza 4,20 voltios y se obtiene as! una carga al 100% de todos los elementos al final de la operacion de carga.
Pero esta tecnica conocida de compensacion al final de la carga presenta notables inconvenientes.
Asl, estos sistemas de compensacion necesitan resistencias de potencia importantes para poder disipar las corrientes consecuentes, y esto mas aun cuando el sistema de compensacion entra en accion cuando las corrientes de carga son incluso importantes, es lo que se produce cuando los elementos de la baterla estan muy descompensados.
Ademas, esta fuerte disipacion de potencia implica una elevacion consecuente de la temperatura, que puede ser molesto en el caso de baterlas compactas que integran las resistencias de derivacion.
Ademas, puede suceder que, a pesar de la inyeccion de corrientes de carga importantes hacia el fin de la operacion de carga, la baterla no este equilibrada cuando la condicion del fin de carga sea alcanzada.
Por otro lado, es necesario igualmente resaltar que las baterlas ion-litio o pollmero de litio que pueden averiarse potencialmente de forma peligrosa peligrosamente al final de la carga, teniendo en cuenta su naturaleza y la cantidad de energla almacenada, estando las celdas practicamente cargadas en su nivel maximo.
En efecto, la aplicacion de corrientes de cargas en este estado y en esta situacion, para equilibrar las celdas en retarda de carga, implica una sobrecarga de los elementos involucrados, que puede terminar con la exposicion de estas ultimas en los casos extremos.
Finalmente, la aplicacion de corrientes de carga de fuerte intensidad acelera el envejecimiento de las celdas de la baterla y por lo tanto su eficiencia.
Por otra parte, en las aplicaciones de fuerte potencia, los tiempos de recarga de la baterla, 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 operacion 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 compensacion al fin de la carga o al final de la carga segun el estado de la tecnica). La repeticion de este fenomeno implica igualmente una degradacion rapida de la eficiencia de las baterlas involucradas.
La presente invencion tiene por meta proponer una solucion de carga optimizada, presentando las ventajas precitadas y superando los inconvenientes mencionados precedentemente en vista del estado de la tecnica existente.
Para este efecto, la invencion tiene por objeto un procedimiento de cargamento equilibrado que muestra las caracterlsticas de la reivindicacion 1.
El instante t1 a partir del cual interviene la carga controlada de las diferentes celdas de la baterla podra ser sea fijado por fabricacion, sea resultado de un reglaje unico despues de la aplicacion o eventualmente ser regulable por el usuario o por una persona habilitada (personal de mantenimiento especializado).
Es muy evidente que cuanto mas el instante t1 este cerca del instante t0 del inicio de la operacion de carga, los niveles de carga de las diferentes celdas seran equilibrados e igualados mas pronto y por lo tanto evitados los desequilibrios importantes, particularmente en caso de la interrupcion de la carga antes de su fin normal (incidente de carga, disfuncionamiento, corte voluntario de la carga por el usuario,...)
Asl, teniendo en cuenta estas ultimas consideraciones, el instante ti podra ser fijado inmediatamente despues de la ejecucion de un cierto numero de pruebas de los medios de carga y de las celdas, consecutivo al inicio de una operacion de carga.
Sin embargo, puede preverse igualmente, cuando las diferentes celdas presentan caracteristicas muy similares y/o cuando ningun impedimento de la limitacion del tiempo de carga es susceptible de intervenir, que el instante t1 sea separado temporalmente del instante to de una fraccion de la duracion de carga maxima teorica de las celdas de la bateria, limitando asi la fase de alimentacion controlada con el eventual equilibrio de las diferentes celdas de la bateria, asi como el numero de ciclos de las diferentes operaciones secuenciales de medida, de evaluacion y de alimentacion diferenciada.
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Finalmente, puede tambien preverse que el instante ti varla en el curso de la duracion de la vida de la baterla, siendo relativamente separado del instante to del inicio de carga o de recarga cuando la baterla es nueva y estando mas proximo de ese instante to el final de la vida de la dicha baterla (generalmente despues de varias centenas de ciclos de carga/descarga).
En efecto, para una baterla nueva, de buena calidad, las diferentes celdas que la componen tienen generalmente un estado de propiedades y de caracterlsticas sensiblemente similares.
Por consiguiente, su carga se efectua de manera casi equilibrada y solo un ligero equilibrio por alimentacion diferenciada es necesario al final de la carga.
Sin embargo, las baterlas envejecidas, incluso aquellas que hayan presentado celdas casi similares en el nuevo estado, tienen un estado de las celdas cuyas caracterlsticas y propiedades son netamente diferentes entre ellas y que alcanzan al final de la carga niveles de carga muy variables en ausencia de compensacion o de equilibrio durante la carga. En este caso, la carga equilibrada segun la invencion debera intervenir desde una fase precoz de la carga, es decir, practicamente inmediatamente despues del inicio de la operacion de carga o de recarga.
Asl, puede igualmente preverse una modification automatica, por ejemplo por decremento en cada nueva operacion de carga del intervalo temporal ti-to del instante ti de carga equilibrada segun la invencion, pudiendo entonces efectuarse la carga entre t0 y t1 de manera clasica, sin control y ajuste eventual de la alimentacion de las diferentes celdas.
Podra preverse eventualmente de la misma forma una prueba al inicio de la utilization de una baterla nueva o antes de su expedition por el fabricante, indicando o fijando un valor ti inicial o un parametro que permite determinar este valor.
Asl, el intervalo ti-to podra variar, por ejemplo practicamente algunos segundos con varias decenas de porcentaje de la duracion total teorica de la carga de la baterla.
De acuerdo con la invencion y empleando una solution preferida se hace intervenir un tratamiento numerico de los signos y una gestion de procedimiento por una unidad de tratamiento numerico, la vigilancia de los niveles de carga se efectua por medidas repetidas y la alimentacion diferenciada aplicada durante una duracion predefinida, en caso de verificacion de las condiciones de desequilibrio de los niveles de carga requeridos.
Esta solucion permite simplificar a la vez la implementation material y loglstica necesaria para la aplicacion del procedimiento.
En relation con la invencion, el procedimiento consiste en conectar para cada celda de la baterla, las unas despues de las otras, de manera secuencial durante una duracion fraccionada del tiempo total de carga de la baterla, secuencias que comprenden una evaluacion retocada del nivel de la carga de la celda considerada, seguida, en funcion de su nivel de carga y por relacion al conjunto de los niveles de carga de las otras celulas de la baterla, de una alimentacion uniforme o diferenciada, siguiendo esta un ciclo repetitivo a partir del instanteiy a todo lo largo del desarrollo consecutivo de la operacion de carga.
Segun un modo de realization ventajoso de la invencion, el dicho procedimiento comprende al menos la ejecucion de las operaciones siguientes bajo la gestion de una unidad de tratamiento numerico, y esto desde el inicio de la carga:
- evaluation, preferencialmente a intervalos regulares de la cantidad de energla almacenada en cada celda por la medida de un parametro indicativo de la dicha cantidad;
- analisis comparativo de las diferentes cantidades de energla evaluadas o de los diferentes valores de parametro medido;
- determination de la celda que mas tarda en cargarse y, en caso dado de la o de las celdas la o las que mas avanzan en cargar;
- alimentacion de las diferentes celdas montadas en serie de manera uniforme o con limitation de corriente de carga para las celdas diferentes a las que mas tardan en cargar o para la o las celdas las mas avanzadas en cargar, por derivation de la totalidad o de una parte de la dicha corriente al nivel de esta o de estas ultimas;
- repetition secuencial de las diferentes operaciones precitadas hasta la obtencion de un estado de fin de carga de la baterla o de la detection de un defecto, de un disfuncionamiento o de un excedente de valor admisible de umbral.
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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 bateria 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 bateria el final de carga normal y esto independientemente de su propia capacidad.
Incluso, en caso de interrupcion de la operacion de carga antes de su fin normal, se garantizara un nivel de carga sensiblemente identico para todas las celdas.
La invencion sera mejor comprendida, gracias a la descripcion a continuacion, que se reporta con un modo de realizacion preferido, dado a titulo de ejemplo no limitativo, y explicado con referencia a los dibujos esquematicos anexos, en los cuales:
la figura 2 de los dibujos anexos es un esquema sinoptico de un dispositivo para la aplicacion del procedimiento segun la invencion;
la figura 3 es un esquema mas detallado del dispositivo representado sobre la figura 2, segun una variante de realizacion de la invencion;
la figura 4 es un ordinograma que muestra esquematicamente las diferentes etapas del procedimiento segun un modo de realizacion de la invencion (en este ordinograma, hay que entender por el termino “elemento”, un elemento o una celda con varios elementos en paralelo) y,
la figura 5 representa cronogramas que ilustran a titulo de ejemplo no limitativo, para una bateria de doce celdas, las operaciones ejecutadas durante un ciclo de carga con compensacion de procedimiento segun la invencion.
Esta ultima tiene por objeto un procedimiento de cargamento o de carga equilibrada de n celdas 1, con n > 2, constitutivos de una bateria ion-litio o polimero 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 operacion ventajoso de la invencion, este procedimiento comprende para cada operacion, al menos la ejecucion de las operaciones siguientes bajo la gestion de una unidad de tratamiento numerico, y este a partir de un instantel posterior al inicio de la operacion de carga:
- evaluation, preferencialmente a intervalos regulares de la cantidad de energia almacenada en cada celda 1 por la medida de un parametro indicativo de la dicha cantidad;
- analisis comparativo de las diferentes cantidades de energia evaluada sobre los diferentes valores de parametro medido;
- determination de la celda 1 la mas retardada en cargarse y, en el caso dado, del lado de las celdas 1 la o las mas avanzadas en cargarse;
- alimentation de las diferentes celdas 1 montadas en serie de manera uniforme con limitation de la corriente de carga para las celdas 1 diferentes a las mas retardadas en cargarse para la o las celdas mas avanzadas en cargarse, por derivacion de la totalidad o de una parte de la dicha corriente al nivel de esta o de estas ultimas;
- repetition secuencial de las diferentes operaciones precitadas hasta la obtencion de un estado de fin de carga de la bateria 2 o de la detection de un defecto, de un disfuncionamiento o de un excedente del valor de umbral admisible.
Preferencialmente, el parametro medido al nivel de cada celda 1 y utilizado para la evaluacion de la cantidad de energia almacenada en esta, se considera tension en los bornes de la celda 1.
Como se indico 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 limitacion de alimentacion diferentes.
Sin embargo, para exponer aun mas las fases activas de equilibrado, la invencion preve ventajosamente que solo la o las celdas en donde el o los niveles de carga esten (sean) los mas avanzados sobre los de la celda la menos cargada (durante una duration fraccionada n dada), sera (seran sometidos) a una limitacion de su o de sus cargas (durante la duracion fraccionada n + 1). Asi, las celdas cuyo nivel de carga no sean mas que ligeramente superior al de la celda la menos cargada, continuaran su carga normalmente.
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La discrimination entre las celdas sometidas a una limitation temporal de la carga y las que no lo sean (durante una duration fraccionada de la duration total de la carga), puede por ejemplo desprenderse de la situation (en terminos de valores), niveles de carga de estas celulas con relation a un valor de umbral dado para [valor de la carga de la celda menos cargada + delta (D)].
Por otro lado, adoptando la estrategia de limitar la corriente de carga de las celdas las mas cargadas es a todo lo largo del desarrollo de la carga de la baterla a partir del instantel, en lugar de alcanzar el fin de la dicha carga, la invention permite evitar cualquier riesgo de sobrecarga de la baterla 2 del hecho de una compensation tardla 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 continuation de su action a todo lo largo de la fase consecutiva de operation de carga, es posible garantizar que la baterla sea sensiblemente equilibrada poco despues del instante ti y a todo lo largo de la fase consecutiva, es decir incluso en caso de interruption de la carga antes de su termination normal.
Segun una caracterlstica ventajosa de la invention, la derivation de la corriente al nivel de la o de las celdas 1 las mas avanzadas en carga se realiza por medio de circuitos de derivation 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 organo de conmutacion 5 y, en el caso dado, al menos un compuesto de disipacion de energla electrica 6, eventualmente regulable, tal como por ejemplo una resistencia electrica (figuras 2 y 3).
El organo de conmutacion 5 podra, por ejemplo, ser escogido entre el grupo formado por las redes electromecanicas o electronicas, los transistores bipolares o con efecto de campo o analogos.
Ademas, estando la derivation de energla unida al equilibrio de cargas de las diferentes celdas 1 repartidas sobre una gran parte, ver el caso dado la casi totalidad de la duration de la carga, el componente de conmutacion 5, as! como el componente de disipacion 6.
Conforme a un modo de realization preferido de la invention, la carga con compensation secuencial consiste mas precisamente para realizar, a partir del instante t1 y ion repitiendolos a todo lo largo de la carga consecutiva de la baterla 2, con las operaciones siguientes:
a) escrutar un par o todas las celdas 1 de la baterla 2 midiendo las tensiones en sus bornes, esto sin que la resistencia 6 de la derivation o de la compensation esten conectadas;
b) detectar la celda 1 la mas retardada en cargarse;
c) detectar las celdas 1 que, con respecto a la celda 1 la menos cargada o la mas retardada en cargarse, tiene una sobrecarga superior a un valor de umbral predeterminado de desviacion de capacidad, por ejemplo correspondiente a una diferencia de tension (dVs) de 10 mV;
d) conectar individualmente cada celda 1 detectada con una sobrecarga superior al valor de umbral de una resistencia de compensation 6 correspondiente, de manera que desemboque en una disminucion de corriente de carga para cada una de las celdas 1 concernientes, por ejemplo aproximadamente 10%, durante una duration secuencial predeterminada, por ejemplo de dos segundos;
e) para desconectar las resistencias de compensation 6 de todas las celdas 1 despues de la desviacion de la duracion secuencial predeterminada;
f) para efectuar de nuevo las etapas a) a e) despues del flujo de un retraso de estabilizacion de tensiones de las celdas 1.
La carga de la baterla es detenida normalmente cuando la intensidad de corriente de carga global del conjunto de las celdas de esta ultima desciende por debajo de un valor de umbral predefinido, por ejemplo a 50 mA.
A tltulo de ejemplo de aplicacion practica de la invention, las potencias de los diferentes circuitos de la derivation 4 son escogidos proximos a los valores provistos por la formula siguiente:
Psd max = V max cell * % * AH Tc
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en la cual:
Psd max = potencia maxima optimizada que sera disipada expresada en Vatios;
V max cell= la tension maxima medida durante la carga en los bornes de una celda expresada en voltios;
% = relacion expresada en porcentaje, que corresponde a la desviacion maxima entre dos celdas que se desea recuperar sobre una carga;
AH= capacidad nominal de la baterla expresada en Ah (Amperio - hora);
Tc= Tiempos de carga de la baterla expresado en horas.
Ademas, para llegar a una regulacion precisa y progresiva de la carga de cada celda 1, la tension en los bornes de cada celda 1 se mide de manera precisa por un conjunto 7 de modulos de medida 7' correspondientes, en donde los signos de salida se transmiten, ventajosamente despues de la numeracion, con la unidad de tratamiento numerico 3, este ultimo comandante, en el ciclo siguiente, los organos de conmutacion 5 de los diferentes circuitos de derivation 4 en funcion de la evolution comparativa de los dichos signos de salida y provistos por los modulos 7'.
Conforme a un modo de realization muy ventajoso de la invention, se destaca a tltulo de ejemplo de las figuras 4 y 5, las operaciones son repetidas, a partir del instante ti durante cualquier operation de carga consecutiva mientras que los bucles clclicos formados de los dos semiciclos operacionales, ejecutados sucesivamente en cada bucle de ciclo, un primer semiciclo que comprende la ejecucion consecutiva de las operaciones siguientes: lectura sucesiva de las tensiones de las diferentes celdas 1 y defasado en el tiempo, de la resistencia de compensation 6 para cada celda 1 en donde la diferencia de tension (dV) con la celda 1 la mas 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 celulas 1 y alcance de la estabilizacion 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 clclicas de las operaciones de los dos semiciclos (con una duration de ciclo de por ejemplo 4s), a todo lo largo del procedimiento de carga de la baterla 2, es decir hasta la circunstancia de un suceso de fin de carga o de una information de seguridad, todas las celdas 1 (y el elemento o los elementos que componen cada una de estas ultimas) que presentan en cualquier momento una debil dispersion de capacidad (del hecho de las conexiones de carga constantes entre celdas) y recuperan de manera optima el maximo de sus comportamientos.
Ademas, el procedimiento segun la invencion permite aceptar el inicio de la carga de las diferencias de niveles de carga importantes entre celdas 1, y estando “la recuperation” o la compensacion repartida entre el instante ti y el fin del procedimiento de carga de la baterla 2.
Segun una primera variante, puede ser previsto que el valor de umbral de diferencia de tension dVs consiste en un primer valor fijado predeterminado V1, por ejemplo 10 mV, si la diferencia de tension dV entre la tension de la celda 1 que presenta la tension mas elevada y la tension de la celda 1 que presenta la tension mas debil es inferior a un segundo valor fijo predeterminado V2, superior al primer valor de umbral predeterminado V1, por ejemplo 100 mV.
Ademas, puede tambien preverse igualmente que, si la diferencia de tension dV entre la tension de la celda 1 que presenta la tension mas elevada y la tension de la celda 1 que presenta la tension la mas debil es superior a un segundo valor fijo predeterminado V2, por ejemplo 100 mV, el valor de umbral de diferencia de tension 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.
Segun una segunda variante, puede, de manera alternativa, ser previsto que el valor de umbral de diferencia de tension dVs corresponde a una fraction dada de la diferencia de tension dV, medida durante el ciclo precedente entre la tension de la celda 1 que presenta la tension mas elevada y la tension de la celda 1 que presenta la tension mas debil, si durante el ciclo en curso la dicha diferencia de tension 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 menciono precedentemente, las medidas de tension a los niveles de las diferentes celdas 1 no son efectuadas mas que despues del flujo de un
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retraso dado, por ejemplo dos segundos, es seguido a la supresion de las derivaciones de corriente, de manera que se autorice una estabilizacion de las tensiones en los bornes de las dichas celdas 1.
Con el fin de preservar las celdas 1 de la baterla 2 de posibles exposiciones a sobretensiones, el programa de gestion de la carga, cuyo organigrama puede por ejemplo corresponder al representado en la figura 4, puede comprender la ejecucion de un cierto numero de pruebas antes del inicio de la carga y en el transcurso y al final de la carga.
As! el procedimiento de carga puede consistir, al inicio, antes del arranque de la ejecucion de las operaciones de carga, para medir la tension al vaclo V0 del cargador 8 ramificado sobre la baterla 2 en vista de su carga, y en detener el dicho procedimiento de carga, con la desconexion eventual de una alarma correspondiente y/o la representacion visual de un mensaje, si la dicha tension en vaclo Vo es superior a [n x tension maxima admitible Vmax para cada celdal].
Incluso, el dicho procedimiento puede igualmente consistir antes de la ejecucion de un bucle o de un ciclo siguiente, para verificar si una o al menos una de las celdas 1 de la baterla 2 presenta en sus bornes una tension superior a la tension maxima admisible Vmax (por ejemplo y no limitativamente 4,23 V) y, en el caso afirmativo, interrumpir el procedimiento de carga, eventualmente con desconexion de una alarma correspondiente y/o la representacion visual de un mensaje.
La presente invention tiene igualmente por objeto un dispositivo para el empleo del procedimiento descrito precedentemente, en donde los principales elementos constitutivos son representados esquematicamente en las figuras 2 y 3.
Este dispositivo esta esencialmente constituido, de una parte, por un conjunto 7 de modulos 7' de medidas de la tension asociados cada uno a una de las celdas 1 en serie formando la baterla 2 y midiendo las tensiones en los bornes de estas, de otra parte, por una pluralidad de circunstancias de derivation 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 numerico y de gestion de procedimiento, comandando la dicha unidad 3 que recibe los signos de medida de dicho ensamble 7 de modulos de medida de la tension 7', el estado [cerrado/abierto] de cada circuito de derivacion 4.
Los modulos 7' que consistiran por ejemplo en circuitos de medida diferencial de tension para un amplificador operacional, con una precision de medida de al menos 50 mV.
Ventajosamente, cada circuito de derivacion 4 comprende un organo de conmutacion 5 formando un interruptor y cuyo estado es comandado por la unidad de tratamiento numerico 3 y, en el caso dado, al menos un componente 6 de disipacion de energla electrica, tal como por ejemplo una o varias resistencias.
Como lo muestra la Figura 3 de los dibujos anexos, y segun un modo de realization preferida de la invencion, el conjunto 7 de los modulos 7' de medida de la tension comprende, de una parte, n modulos analogicos 7' de medida de la tension, asociado cada uno directamente a una celda 1 de la baterla 2, de otra parte, un circuito multiplexor 9 cuyas entradas estan conectadas a las salidas de los dichos modulos 7' y, finalmente, un circuito convertidor analogico/numerico 10 que conectado a la entrada y a la salida del circuito multiplexor 9 y en salida con la unidad de tratamiento numerico y de gestion 3.
En relation con una aplicacion preferida, pero no limitativa a la invencion. El dispositivo representado en las figuras 2 y 3 puede ser integrado ventajosamente en un conjunto de herramienta electrica autonoma de potencia.
Para este objeto, conviene notar que los circuitos de derivacion 4 asociados individualmente a las celdas 1 de la baterla 2, podran igualmente ser utilizados para eventualmente ajustar las cargas de las dichas celdas 1 con un nivel compatible con almacenamiento de larga duration, sin utilization, de la dicha baterla 2.
Por supuesto, la invencion no esta limitada a los modulos de realizacion descritos y representados en los dibujos anexos. Las modificaciones que permanecen posibles, particularmente desde el punto de vista de la constitution de los diversos elementos o por sustitucion de equivalentes tecnicos, sin salir por lo tanto del dominio de protection de la invencion.

Claims (20)

  1. 5
    10
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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de cargado equilibrado de n celdas, con n > 2 constitutivos de una baterla ion-litio o pollmero 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 operation de carga, consiste en realizar, de manera continua o clclica a partir de un instante (ti) posterior al inicio de la operacion de carga y hasta el fin normal o la interruption anticipada de esta operacion, una vigilancia de los niveles de carga de las diferentes celdas (1), y para efectuar, en funcion de la evaluation previa de los dichos niveles de carga, sea una alimentation uniforme de todas las celdas (1), sea un equilibrio de los dichos niveles de carga de las dichas celdas (1) que alimentan estas ultimas de manera diferenciada en funcion de sus niveles de carga corrientes, proceso caracterizado porque consiste en conectar para cada celula (1) de la baterla, unas despues de las otras, de forma secuencial, durante una duration fraccionaria del tiempo total de carga de la baterla (2), secuencias que comprenden una evaluacion renovada del nivel de la carga de la celula (1) considerada, seguida, en funcion de su nivel de carga y en relation con el conjunto de los niveles de carga de otras celulas (1) de la baterla, de una alimentacion uniforme o diferenciada, la cual sigue un ciclo repetitivo a partir del instante (ti) y todo a lo largo del desarrollo consecutivo de la operacion de carga,
    porque el equilibrado de los niveles de carga de las celdas (1) se realiza con limitation de la corriente de carga que afecta a las celdas antes del cargado respecto a la celda menos cargada, o por limitacion, durante la siguiente duracion fraccionada, de la celda o celdas con el nivel de carga mas avanzado respeto a la celda menos cargada durante la duracion fraccionada corriente, y
    porque usa un procesamiento digital de las senales y una gestion del proceso mediante una unidad de tratamiento numerico (3), efectuandose la vigilancia de los niveles de carga de las celdas (1) por mediciones repetidas y aplicandose alimentacion diferenciada durante un tiempo predefinido, en el caso de verification de las condiciones requeridas de desequilibrio de los niveles de carga.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado porque comprende al menos la ejecucion de las operaciones siguientes bajo la gestion de la unidad de tratamiento numerico (3), y este desde el inicio del instante 0:
    - evaluacion, preferencialmente en intervalos regulares, de la cantidad de energla almacenada en cada celda (1) por la medida de un parametro indicativo de la dicha cantidad;
    - analisis comparativo de las diferentes cantidades de energla evaluadas o de los diferentes valores del parametro medido sobre cada celda (1);
    - determination de la celda (1) la mas retardada en cargarse y, en el caso dado de la o de las celdas (1) la o las mas avanzadas en cargarse;
    - alimentacion de las diferentes celdas (1) montadas en serie de manera uniforme o con limitacion de la corriente de carga para las celdas (1) diferentes que las mas retardadas en cargarse o para la o las celdas las mas avanzadas en cargarse, por derivacion de la totalidad o de una parte de la dicha corriente al nivel de esta o de estas ultimas;
    - repetition secuencial de las diferentes operaciones precitadas hasta la obtencion de un estado de fin de carga de la baterla (2) o de la detection de un defecto, de un disfuncionamiento o de un excedente del valor de umbral admisible.
  3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, caracterizado porque el parametro medido al nivel de cada celda (1) y utilizado para la evaluacion de la cantidad de energla almacenada en esta, es la tension en los bornes de la celda
    (1) considerada.
  4. 4. Procedimiento segun la reivindicacion 2 o la reivindicacion 3, caracterizado porque la derivation de corriente al nivel de la o de las celdas (1) las mas avanzadas en cargarse se realiza por medio de circuitos de derivacion (4) asociados cada uno, por un montaje en paralelo a una de las dichas celdas (1) integrando los dichos circuitos (4) cada uno un organo de conmutacion (5) y, en el caso dado, al menos un compuesto de disipacion de energla (6), eventualmente regulable, tal como por ejemplo una resistencia electrica.
  5. 5. Procedimiento segun las reivindicaciones 2 y 4, caracterizado porque el cargado con compensation secuencial consiste mas precisamente en realizar, a partir del instante t1 y repitiendolas todo a lo largo de la carga de la baterla
    (2) , las siguientes operaciones:
    a) escrutar una por una todas las celdas (1) de la baterla (2) midiendo las tensiones en sus bornes, esto sin que esten conectadas la resistencia (6) de derivacion o de compensacion;
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    b) detectar la celda (1) la mas retardada en cargarse;
    c) detectar las celdas (1) que, con respecto a la celda (1) la menos cargada o la mas retardada en cargarse, tenga una sobrecarga superior a un valor de umbral predeterminado de tolerancia de capacidad, por ejemplo correspondiente a una diferencia de tension (dVs) de 10 mV;
    d) conectar individualmente cada celda (1) detectada con una sobrecarga superior al valor de umbral en una resistencia de compensacion (6) correspondiente, de manera que se obtenga una disminucion de la corriente de carga para cada una de las celdas (1) concernientes, por ejemplo de aproximadamente 10%, durante una duracion secuencial predeterminada, por ejemplo de dos segundos;
    e) desconectar las resistencias de compensacion (6) de todas las celdas (1) despues del flujo de la duracion secuencial predeterminada;
    f) efectuar de nuevo las etapas a) a e) despues del flujo de un retraso de estabilizacion de las tensiones de las celdas (1).
  6. 6. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la carga de la baterla (2) es detenida normalmente cuando la intensidad de la corriente de carga global del conjunto de las celdas (1) de esta ultima desciende por debajo de un valor de umbral predefinido, por ejemplo a 50 mA.
  7. 7. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque la tension en los bornes de cada celda (1) es medida de manera precisa por un conjunto (7) de modulos de medida (7') correspondientes, cuyos signos de salida son transmitidos, ventajosamente despues de la numerizacion, con la unidad de tratamiento numerico (3), comandando este ultimo, en el ciclo siguiente, los organos de conmutacion (5) de los diferentes circuitos de derivacion (4) en funcion de la evolucion comparativa de los dichos signos de salida provistos por los modulos (7').
  8. 8. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque las operaciones son repetidas a partir del instante (ti) y durante toda la operacion 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 ejecucion consecutiva de las operaciones siguientes: lectura sucesiva de las tensiones de las diferentes celdas (1) y la desconexion defasada en el tiempo, de la resistencia de compensacion (6) para cada celda (1) en donde la diferencia de tension (dV) con la celda (1) la mas 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 compensacion (6) de las diferentes celdas (1) y alcance de la estabilizacion 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.
  9. 9. Procedimiento segun la reivindicacion 8, caracterizado porque el valor de umbral de diferencia de tension (dVs) consiste en un primer valor fijo predeterminado (V1), por ejemplo 10 mV, si la diferencia de tension (dV) entre la tension de la celda (1) que presenta la tension la mas elevada y la tension de la celda (1) que presenta la tension la mas debil es inferior a un segundo valor fijo predeterminado (V2), superior al primer valor de umbral predeterminado (V1), por ejemplo 100 mV.
  10. 10. Procedimiento segun la reivindicacion 9, caracterizado porque, si la diferencia de tension (dV) entre la tension de la celda (1) que presenta la tension la mas elevada y la tension de la celda (1) que presenta la tension la mas debil es superior a un segundo valor fijo predeterminado (V2), por ejemplo 100 mV, el valor de umbral de diferencia de tension (dVs) consiste en un tercer valor fijo predeterminado (V3) inferior al dicho segundo valor (V2), por ejemplo 30 mV.
  11. 11. Procedimiento segun las reivindicaciones 9 y 10, caracterizado porque el tercer valor fijo predeterminado (V3) es superior al dicho primer valor fijo predeterminado (V1).
  12. 12. Procedimiento segun la reivindicacion 8, caracterizado porque el valor de umbral de diferencia de tension (dVs) corresponde a una fraccion dada de la diferencia de tension (dV), medida durante el ciclo precedente entre la tension de la celda (1) presentando la tension mas elevada que la tension de la celda (1) presentando la tension mas debil, si durante el ciclo en curso la dicha diferencia de tension (dV) es incluso superior a un cuarto valor fijo predeterminado (V4), por ejemplo 10 mV.
  13. 13. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque las medidas de tension al nivel de las diferentes celdas (1) no son efectuadas mas que despues del transcurso de un retraso dado, por ejemplo dos segundos, seguido con la supresion de las derivaciones de corriente, de manera que autoricen una estabilizacion de las tensiones en los bornes de las dichas celdas (1).
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  14. 14. Procedimiento segun la revindication 4 o una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 13 tomadas en combination con la revindication 4, caracterizado porque las potencias de los diferentes circuitos de derivation (4) son escogidos proximos a los valores provistos por la formula:
    Psd max = V max cell * % * AH Tc
    en la cual:
    Psd max = potencia maxima optimizada para disipar expresada en vatios;
    V max cell= la tension maxima medida durante la carga a los bornes de una celda expresada en voltios;
    % = relation expresada en porcentaje, correspondiente a la desviacion maxima entre dos celdas que se desea
    recuperar sobre una carga;
    AH= capacidad nominal de la baterfa expresada en Ah (Amperio hora);
    Tc= Tiempos de carga de la baterfa expresada en horas.
  15. 15. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 14, caracterizado porque consiste, al inicio, antes del arranque de la ejecucion de operaciones, en medir la tension de vacfo (Vo) de un cargador (8) ramificado sobre la baterfa (2) en vista de su carga y en detener el dicho proceso de cargado, con la eventual desconexion de una alarma correspondiente y/o la representation visual de un mensaje, si la dicha tension en vacfo (Vo) es superior a [n x tension maxima admisible (Vmax) para cada celda (1)].
  16. 16. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 8 a 15, caracterizado porque consiste antes de la ejecucion de un siguiente bucle, en verificar si una al menos de las celdas (1) de la baterfa (2) presenta en sus bornes una tension superior a la tension maxima admisible (Vmax) y, en el caso afirmativo, en interrumpir el procedimiento de cargado, eventualmente con desconexion de una alarma correspondiente y/o la representation visual de un mensaje.
  17. 17. Dispositivo para la aplicacion del procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque esta esencialmente constituido, de una parte, por un conjunto (7) de modulos (7’) de medida de la tension asociados cada uno a una de las celdas (1) en serie que forman la baterfa (2) y que miden las tensiones en los bornes de esta, de otra parte, por una pluralidad de circuitos de derivation (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 numerico y de gestion del procedimiento, recibiendo la dicha unidad (3) los signos de medida del dicho conjunto (7) de los modulos de medida de la tension (7’) y que comanda el estado [cerrado/abierto] de cada circuito de derivation (4).
  18. 18. Dispositivo segun la revindication 17, caracterizado porque cada circuito de derivation (4) comprende un organo de conmutacion (5), formando un interruptor y cuyo estado esta comandado por la unidad de tratamiento numerico
    (3) y, si llega el caso, al menos un componente (6) de disipacion de energfa electrica, tal como por ejemplo una o varias resistencias.
  19. 19. Dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones 17 y 18, caracterizado porque el conjunto (7) de los modulos (7’) de medida de la tension comprende, de una parte, n modulos analogicos (7’) de medida de la tension, asociado cada uno directamente a una celda (1) de la baterfa (2) de una parte, a un circuito multiplexor (9) cuyas entradas estan conectadas a las salidas de los dichos modulos (7’) y, finalmente, un circuito convertidor analogico/numerico (10) unido a la entrada y a la salida del circuito multiplexor (9) y en salida a la unidad de tratamiento numerico y de gestion (3).
  20. 20. Dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado porque esta integrado en un conjunto de herramientas electricas autonomas de potencia.
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