ES2377399B1 - Sistema y procedimiento de gestión de carga de baterías de un vehículo eléctrico. - Google Patents

Sistema y procedimiento de gestión de carga de baterías de un vehículo eléctrico. Download PDF

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Abstract

Sistema y procedimiento de gestión de carga de baterías de un vehículo eléctrico.#La presente invención describe un sistema y procedimiento para gestionar un conjunto de baterías para un vehículo eléctrico que comprende unas tarjetas (T) de lectura de baterías (B) que comprenden un conversor A/D que convierte las tensiones de las baterías (B) de analógico a digital, una pluralidad de resistencias de potencia que disipan energía sobrante durante operaciones de balanceo, y un microcontrolador que controla su funcionamiento; un coordinador (C) de tarjetas (T) de control de baterías (B) conectado al microcontrolador de cada tarjeta (T) de control de baterías (B) y a un sensor (I) de la corriente que atraviesa las baterías (B); y un bus (B) con aislamiento galvánico que interconecta las baterías (B), el controlador (C) y el sensor (I) de corriente.

Description

SISTEMA Y PROCEDIMIENTO DE GESTIÓN DE CARGA DE BATERÍAS DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un sistema y un procedimiento para gestionar de una manera óptima la carga y descarga de un conjunto de baterías, más particularmente, un conjunto de baterías para un vehículo eléctrico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El funcionamiento de un vehículo eléctrico requiere de un almacén de energía, normalmente constituido por un grupo de baterías interconectadas según diferentes combinaciones serie/paralelo según cada caso. Aunque las características de las baterías que se utilizan en un mismo coche eléctrico son similares, puede haber pequeñas diferencias entre ellas debido a los procesos de fabricación, principalmente en cuanto al nivel de energía eléctrica que son capaces de almacenar o a parámetros como la corriente de auto descarga. Estas diferencias, aun siendo pequeñas, provocan que en la repetición de ciclos de carga y descarga algunas baterías acumulen tensión por encima del resto y que otras se descarguen más de lo debido.
Sin embargo, para alargar lo máximo posible su vida útil es aconsejable mantener en todo momento las baterías dentro de las especificaciones del fabricante, que normalmente consisten en unos niveles de tensión de celda máximo y mínimo. Esto es especialmente importante en ciertos tipos de baterías, como por ejemplo en las baterías de ión de litio, cuya vida útil puede verse reducida enormemente si se sobrecargan o se sobredescargan. Este problema es especialmente grave en vista del elevado precio de las baterías.
En consecuencia, es necesario controlar de un modo sencillo el estado de cada una de las baterías de forma individual, de forma que el mal funcionamiento de una de ellas sea rápidamente detectado y no comprometa el funcionamiento del conjunto completo. Además, es también muy importante conocer en todo momento el nivel de energía disponible dentro de cada batería para poder estimar el alcance de un vehículo eléctrico.
Por otro lado, es critico controlar la adecuada conexión de las baterías entre si, ya que, debido a las elevadas intensidades que circulan en un vehículo eléctrico, la existencia de pequeñas resistencias causadas por mal contacto eléctrico entre las baterías pueden provocar perdida de potencia y sobrecalentamiento.
Además, el sistema debe controlar también las situaciones catastróficas, por ejemplo un consumo de corriente de las baterías por encima del máximo marcado para el motor eléctrico, como el que se produciría en caso de un cortocircuito accidental a la salida del bloque de las baterías. Estas situaciones no siempre pueden controlarse adecuadamente con un fusible convencional, ya que el tiempo de actuación de un fusible de gran tamaño es muy largo, y además necesita una corriente muy elevada respecto a la corriente normal de trabajo para que pueda fundirse.
Aunque existen actualmente algunos sistemas que realizan algunas de estas funciones, ninguno de ellos ha resuelto aún el problema de modo satisfactorio.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema de la presente invención resuelve la problemática anterior gracias a un sistema que mide la carga de cada batería, su temperatura y la corriente de carga/descarga que la atraviesa, y en función de estos datos decide si es necesario disipar parte de la energía aportada a una batería particular durante una operación de carga, o bien tomar otro tipo de medidas. Para ello, el sistema de gestión de carga de baterías en un vehículo eléctrico de la presente invención comprende:
a) Un sensor de la corriente que atraviesa las baterías, preferentemente un sensor de corriente por efecto Hall. Este sensor de corriente permite controlar el estado de carga de las baterías, y detectar situaciones tales como una sobrecorriente por encima de los niveles máximos recomendados.
b) Una pluralidad de tarjetas de control de baterías, cada una de las cuales está conectada hasta a 12 baterías y hasta a 3 sensores de temperatura. Los sensores de temperatura sirven para comprobar la temperatura en la zona de las baterías y, adicionalmente, aseguran que en el proceso de balanceo por cargas resistivas de las baterías no se produzcan sobrecalentamientos en las tarjetas de control de baterías. En este contexto, un proceso de balanceo consiste en disipar en calor la energía sobrante de una batería particular durante una operación de carga. Cada tarjeta de control de baterías comprende un conversor A/D que convierte las tensiones de las baterías de analógico a digital, una pluralidad de resistencias de potencia que disipan energía sobrante durante procesos de balanceo, y un microcontrolador que controla su funcionamiento. Preferentemente, el conversor A/D es un modelo LTC6802, aunque podría ser cualquier otro modelo.
c) Un coordinador de tarjetas de control de baterías conectado al microcontrolador de cada tarjeta de control de baterías y a un sensor de la corriente que atraviesa las baterías, preferentemente un sensor de corriente de efecto Hall. El coordinador de tarjetas recibe los datos acerca del nivel de carga de las baterías y su temperatura (de las tarjetas de control de baterías), así como acerca de la corriente que las atraviesa (del sensor de corriente), y determina si es necesario un proceso de balanceo para seguir dentro de las especificaciones del fabricante de la batería.
d) Un bus con aislamiento galvánico, que interconecta las baterías, el controlador y el sensor de corriente. De este modo, es posible solucionar las diferencias de tensión que generan las propias baterías que se pretenden controlar.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Fig. 1 muestra un esquema de las diferentes partes que componen el sistema de la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación un ejemplo de sistema de acuerdo con la presente invención haciendo referencia a la figura adjunta, en la que se ha representado un conjunto de 15 baterías (B) que alimenta un motor (M) de un vehículo eléctrico y que está controlado por medio del sistema de la invención.
El sistema de este ejemplo comprende 3 tarjetas (T) de lectura respectivamente conectadas a conjuntos de 5 baterías (B1…B5; B6… B10; B11…B15). Nótese que se trata únicamente de un ejemplo simplificado de la invención, ya que realmente cada tarjeta (T) es conectable hasta a 12 baterías (B). Cada tarjeta (T) de lectura está conectada además a 3 sensores de temperatura, que por simplicidad no se muestran en la figura. Los sensores de temperatura obtienen datos acerca de la temperatura en la zona de las baterías y de la propia tarjeta (T) de lectura.
El sistema comprende además un coordinador (C) de tarjetas conectado a través de un bus (B) aislado galvánicamente a las diferentes tarjetas (T) de lectura y al sensor (I) de corriente. De este modo, cada tarjeta (T) recibe periódicamente datos acerca de las baterías (B) a las que está conectada, en concreto nivel de carga y temperatura, y envía estos datos al coordinador (C) de tarjetas a través del bus (B) aislado galvánicamente. El coordinador (C), teniendo también en cuenta la corriente de carga que recibe del sensor (I) de corriente, realiza los cálculos necesarios para determinar si es necesario balancear la carga de alguna de las baterías (B) y, en ese caso, se comunica con la tarjeta (T) correspondiente para enviar las órdenes adecuadas.
Más concretamente, durante los procesos de descarga, el sistema verifica el estado de las baterías (B) comprobando posibles excesos de temperatura y controlando, a través de la medida simultánea de la tensión y de la corriente, el estado de la carga de cada batería (B) y el valor de su resistencia interna gracias a la variación de la tensión en función de la corriente consumida en la descarga. Además, durante la descarga el sistema comprueba la correcta integridad de todas las interconexiones de las baterías (B) entre sí al formar el circuito serie de baterías (B), ya que en caso de haber una conexión defectuosa que tuviera un cierto valor ohmico esta pequeña resistencia sería visualizada como un aumento de la resistencia interna de esa misma batería (B).
Este sistema también asegura que durante el proceso de descarga ninguna de las baterías (B) llegue a tener una tensión por debajo de la tensión mínima de trabajo recomendada por el fabricante. Además, esta información de la cantidad de energía disponible en cada batería (B) durante la descarga puede utilizarse para forzar un modo de consumo reducido (por ejemplo, mediante la limitación de la velocidad máxima) en el vehículo eléctrico cuando la carga de las baterías (B) cae por debajo de un umbral determinado.
Por otro lado, durante procesos de carga, la función del sistema es comprobar que ninguna de las baterías (B) se carga por encima de la tensión máxima recomendada por el fabricante. En caso de detectarse esta situación, se activarán las líneas de salida necesarias para detener la carga y de esta forma evitar la sobrecarga de una batería (B).
Adicionalmente, durante el proceso de carga se realiza un proceso de balanceado consistente en activar una corriente de descarga individual en aquellas baterías (B) cuyo nivel de carga sea demasiado elevado. La carga sobrante se disipa por medio de unas resistencias colocadas sobre las propias tarjetas para aquellas baterías (B) que tengan una tensión por encima del resto de baterías (B). De esta forma, mediante la descarga selectiva de aquellas
5 baterías (B) con tensiones más altas se consigue alcanzar en los pasos finales del proceso de balanceo una tensión uniforme y equivalente a la tensión máxima de carga recomendada por el fabricante en todo el grupo de baterías (B).
El sistema también es capaz de detectar cortocircuitos accidentales a la
10 salida de las baterías, que pueden producirse de forma excepcional en situaciones como una mala manipulación de la zona del motor o en un accidente de circulación, complementando así la funcionalidad que puede proporcionar un fusible convencional. Para ello, el sensor (I) de corriente del sistema monitoriza de forma periódica la corriente consumida de las baterías (B), y en caso de
15 detectar una corriente mayor a un determinado umbral durante un determinado tiempo, acciona una línea de salida que permite cortar con el procedimiento mecánico adecuado (normalmente un relé) la salida de las baterías (B) que va hacia el motor (M), salvaguardando de esta forma la integridad de las baterías (B).

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Sistema de gestión de carga de baterías (B) de un vehículo eléctrico, caracterizado porque comprende:
    -
    una pluralidad de tarjetas (T) de lectura de baterías (B), cada una de las cuales está conectada a hasta 12 baterías (B) y a hasta 3 sensores de temperatura, y que comprende un conversor A/D que convierte las tensiones de las baterías (B) de analógico a digital, una pluralidad de resistencias de potencia que disipan energía sobrante durante operaciones de balanceo, y un microcontrolador que controla su funcionamiento;
    -
    un coordinador (C) de tarjetas (T) de control de baterías (B) conectado al microcontrolador de cada tarjeta (T) de control de baterías (B) y a un sensor (I) de la corriente que atraviesa las baterías (B), que recibe la corriente, temperatura y carga de cada batería (B) y determina si es necesario una operación de balanceo para no superar la tensión máxima recomendada de alguna de las baterías (B); y
    -
    un bus (B) con aislamiento galvánico que interconecta las baterías (B), el controlador (C) y el sensor (I) de corriente.
  2. 2.
    Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, donde el conversor A/D es un modelo LTC6802.
  3. 3.
    Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sensor (I) de corriente es un sensor de corriente por efecto Hall.
  4. 4.
    Coche eléctrico que comprende el sistema de gestión de baterías de cualquiera de las reivindicaciones 1-3.
  5. 5.
    Procedimiento de gestión de carga de baterías (B) de un vehículo eléctrico mediante el sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque comprende verificar que ninguna de las baterías (B) se carga por encima de una tensión máxima recomendada, realizando descargas
    individuales en baterías (B) cuyo nivel de carga sea excesivo.
  6. 6.
    Procedimiento de gestión de carga de baterías (B) según la reivindicación 5, que además comprende monitorizar la resistencia interna de las baterías (B) y determinar la aparición de una conexión defectuosa en caso de detectar un aumento excesivo de alguna de ellas.
  7. 7.
    Procedimiento de gestión de carga de baterías (B) según cualquiera de las reivindicaciones 5-6, que además comprende verificar que ninguna de las baterías (B) llegue a tener una tensión por debajo de la tensión mínima recomendada.
  8. 8.
    Procedimiento de gestión de carga de baterías (B) según cualquiera de las reivindicaciones 5-7, que además comprende limitar la velocidad del vehículo cuando la carga de las baterías (B) cae por debajo de un umbral inferior.
  9. 9.
    Procedimiento de gestión de carga de baterías (B) según la reivindicación 5, que además comprende detener la carga cuando alguna de las baterías (B) supera la tensión máxima recomendada.
  10. 10.
    Procedimiento de gestión de carga de baterías (B) según cualquiera de las reivindicaciones 5-7, que además comprende desconectar el motor (M) cuando la corriente por las baterías (B) supera un determinado umbral durante un determinado intervalo de tiempo.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201030095
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 26.01.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : B60L11/18 (2006.01) H02J7/00 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    US 2005242667 A1 (EMORI et al.) 03.11.2005, párrafos [0002-0119]; reivindicaciones 1-5; figuras 1-3. 1,4,5
    Y
    2,3,6-10
    Y
    Linear Technology: "High Voltage Battery Stack Monitor Supports Hybrid/Electric Vehicles & Battery Backup Systems", 22.09.2008, XP002660619, recuperado de Internet: URL: http://www.linear.com/press/LTC6802 [recuperado el 06.03.2012]. Todo el documento. 2
    Y
    US 2008211459 A1 (CHOI) 04.09.2008, párrafos [0043,0046,0055]; figura 1. 3,7,9,10
    Y
    US 5367455 A (KITAGAWA et al.) 22.11.1994, columna 7, líneas 18-26; figuras 7a,7b. 8
    Y
    US 6133709 A (PUCHIANU) 17.10.2000, columna 10, líneas 43-45. 6
    A
    US 2009267566 A1 (YANO) 29.10.2009, todo el documento. 1-10
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 13.03.2012
    Examinador P. Pérez Fernández Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201030095
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) B60L, H02J Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC,WPI,PAJ
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201030095
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 13.03.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones 2,3,6-10 Reivindicaciones 1,4,5 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 2,3,6-10 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201030095
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 2005242667 A1 (EMORI et al.) 03.11.2005
    D02
    Linear Technology: "High Voltage Battery Stack Monitor Supports Hybrid/Electric Vehicles & Battery Backup Systems", 22.09.2008, XP002660619, recuperado de Internet: URL: http://www.linear.com/press/LTC6802 [recuperado el 06.03.2012]. Todo el documento.
    D03
    US 2008211459 A1 (CHOI) 04.09.2008
    D04
    US 5367455 A (KITAGAWA et al.) 22.11.1994
    D05
    US 6133709 A (PUCHIANU) 17.10.2000
  11. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración Falta de Novedad
    Reivindicación nº1
    Se establece el documento D01 como el más próximo del Estado de la Técnica. Dicho documento D01 hace referencia a "un sistema de control de unidades de baterías, en el que cada unidad consta de múltiples células de batería conectadas en serie", que contiene: -tres circuitos integrados (tarjetas) (3,4,5), en el que cada uno de ellos controla 4 baterías (ver párrafos 0026,0027; figura 1). -cada uno de dichos circuitos integrados (3,4,5) contiene un sensor de temperatura (34) (ver párrafo 0054; figura 2). -un conversor A/D (22A) (ver párrafo 0056; figuras 2,3). -un controlador principal (5) que controla los circuitos integrados (3,4,5) (ver figura 1). -un conjunto de cables (bus) que conectan entre si las tarjetas (3,4,5), el controlador principal (5) y un sensor de corriente (ver párrafo 0071; figura 1). El objeto de la invención recogido en la reivindicación nº1 deriva directamente y sin ningún equívoco del documento D01. Por lo tanto, la reivindicación nº1 carece de Novedad (Art 6.1 LP).
    Reivindicación nº 4
    Un coche eléctrico que contiene el sistema de gestión de baterías anterior ya se menciona en el documento D01 (ver párrafos 0108, 0109). Por consiguiente, la reivindicación nº 4 carece de Novedad (Art 6.1 LP).
    Reivindicación nº 5
    En el documento D01 se verifica que ninguna de las baterías esté fuera de un rango específico y en caso de que éste se supere se realiza un balanceo (ver párrafo 0093). En consecuencia, la reivindicación nº 5 carece también de Novedad (Art
  12. 6.1 LP).
    Falta de Actividad Inventiva
    Reivindicación nº 2
    La diferencia entre el documento D01 y la reivindicación nº2 reside en que en el documento D01 no expresa que el conversor A/D sea un modelo LTC6802. Esta característica es una de las varias posibilidades evidentes que un experto en la materia seleccionará según las circunstancias, sin el ejercicio de Actividad Inventiva para la conversión de la tensión analógica a digital. No obstante, para ilustrar este criterio de evidencia se cita el documento D02 en el que se ve la utilización de un dispositivo LTC6802 como convertidor A/D y para la monitorización de hasta 12 celdas de baterías individuales. Por lo tanto, a la vista de los documentos D01 y D02 la reivindicación nº 2 carece de Actividad Inventiva (Art 8 LP).
    Reivindicaciones nº 3,7,9,10
    Las características de las reivindicaciones nº 3,7,9,10 aparecen ya en el documento D03 (ver párrafo 0043, 0055, 0046). Por consiguiente, las reivindicaciones nº 3,7,9,10 carecen de Actividad Inventiva (Art 8 LP).
    Reivindicación nº 8
    A la vista de lo que se conoce del documento D04 (ver columna 7, líneas 18-26) no se considera que requiera ningún esfuerzo inventivo para una experto en la materia limitar la velocidad del vehículo en vez de activar un zumbador cuando la carga de la batería cae por debajo del umbral inferior. Por lo tanto, la reivindicación nº 8 carece de Actividad Inventiva (Art 8 LP).
    Reivindicación nº 6
    Las características de la reivindicación nº 6 ya aparecen en el documento D05 (ver columna 10, líneas 43-55). Por consiguiente, la reivindicación nº 6 carece de Actividad Inventiva (Art 8 LP).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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