ES2543922B1 - Método para regenerar baterías de Ni-Mh - Google Patents

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Abstract

Método para regenerar baterías de ni-mh.#La presente invención se refiere a un método para la regeneración de una batería de ni-mh con una pluralidad de módulos. El método comprende los pasos de: realizar, mediante al menos un descargador, una primera descarga de cada uno de los módulos de la batería a una primera intensidad de descarga hasta que cada módulo alcance un primer voltaje de corte determinado previamente; realizar, mediante al menos un descargador, una segunda descarga a una segunda intensidad de descarga, menor que la utilizada en el paso a), hasta que cada módulo pase del primer voltaje de corte a un segundo voltaje de corte determinado previamente; después de la segunda descarga, enfriar los módulos durante un tiempo de enfriamiento determinado hasta que la temperatura de los módulos sea inferior a un umbral de temperatura; y una vez enfriados los módulos, cargar completamente dichos módulos a una intensidad de carga determinada, mediante al menos un cargador.

Description

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DESCRIPCION
Metodo para regenerar baterias de Ni-Mh Objeto de la invencion
La presente invencion tiene aplicacion en el sector de regeneration de baterias electricas, concretamente en baterias Ni-Mh como las usadas comunmente en vehteulos hforidos.
Antecedentes de la invencion
Hoy en dia, la explotacion de los recursos naturales del planeta y particularmente de las reservas de combustibles fosiles, ha obligado a la industria a variar su rumbo hacia nuevas fuentes de energia mas sostenibles. Ante esta situation la electricidad se ha erigido por tanto en una de las opciones mas recomendables al ofrecer una fuente de energia limpia y fiable, llegando a alternarse e incluso a sustituir completamente en algunos casos a los hidrocarburos como fuente de energia para propulsar vehiculos.
La energia electrica se almacena en unos dispositivos llamados baterias electricas, las cuales una vez han sido sometidas a un proceso inicial de carga son capaces de devolver la energia electrica, con la que por ejemplo impulsar un vehiculo, casi en su totalidad a lo largo de un determinado numero de ciclos.
De la multitud de clases de bateria electricas disponibles, el uso al que esten destinadas hace que sea recomendable escoger una u otra. Por ejemplo, las baterias de Li-ion tan usadas en telefotia movil, para la industria de la automocion no tienen la capacidad de carga o el nivel de seguridad necesarios para su uso en automoviles. Los coches hibridos funcionan actualmente con baterias de mquel metal-hidruro (Ni-Mh) que impulsan un motor electrico y pueden recargarse rapidamente por ejemplo mientras el automovil esta desacelerando o se encuentra detenido.
En la actualidad el problema surge porque dichas baterias cuando llegan al final de su vida util no existe ningun forma conocida en el estado del arte que permita devolverlas a su circuito vital y por tanto, la unica solution que existe por parte del usuario es la compra de una bateria nueva con lo que ello conlleva, aparte del gasto economico, de desechos contaminantes (en torno a un 9% del material es altamente contaminante y no reciclable), impacto medioambiental, despilfarro de recursos en la fabrication de mas unidades de las necesarias y en general el mal dimensionamiento de planificar una production excesiva que, teniendo en cuenta los millones de automoviles hibridos circulando por el mundo, las previsiones de crecimiento del sector, y que la sustitucion de una bateria puede situarse en
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torno a los 150.000 kilometros, se antoja inaceptable semejante derroche de medios tecnicos y naturales.
El estado del arte divulga soluciones orientadas principalmente a la sustitucion de baterias, como es el caso de la solicitud de patente ES2402645 A1, pero nada tiene que ofrecer al respecto de la regeneration de la bateria sustituida. Algunas soluciones describen metodos de recarga o analizadores de carga, pero tampoco van al problema de la regeneracion del tipo de baterias Ni-Mh sino tal vez plomo acido o Ni-Cd como en los documentos ES2399871 A2 o ES2094347.
Por lo expuesto anteriormente en el estado de la tecnica, se hace necesaria una solution que permita la regeneracion de baterias de Ni-Mh como las utilizadas en los automoviles tibridos.
Description de la invention
La presente invencion viene a cubrir un vado en el estado del arte y a resolver el problema expuesto anteriormente de la regeneracion de baterias electricas Ni-Mh como las usadas comunmente en los vehiculos tibridos mediante un metodo para la regeneracion de baterias de Ni-Mh con una pluralidad de modulos. El metodo esta caracterizado por que comprende los pasos de:
a) realizar, mediante al menos un descargador, una primera descarga de cada uno de los modulos de la bateria a una primera intensidad de descarga hasta que cada modulo alcance un primer voltaje de corte determinado previamente;
b) realizar, mediante al menos un descargador, una segunda descarga a una segunda intensidad de descarga, menor que la utilizada en el paso a), hasta que cada modulo pase del primer voltaje de corte a un segundo voltaje de corte determinado previamente;
c) despues de la segunda descarga, enfriar los modulos estableciendo un primer tiempo de reposo determinado hasta que la temperatura de los modulos sea inferior a un umbral de temperatura;
d) una vez enfriados los modulos, cargar completamente dichos modulos a una intensidad de carga determinada, mediante al menos un cargador.
Adicionalmente, la invencion puede comprender un paso posterior al d) que consiste en, una
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vez completada la carga, enfriar durante un segundo tiempo de reposo determinado los modulos hasta que su temperatura sea inferior al umbral de temperatura.
De forma opcional existe tambien un paso previo que puede incorporarse en algunas realizaciones de la invention y consiste en:
- cargar completamente la pluralidad de modulos de la bateria del mismo modo que el paso d);
- despues de la carga, enfriar durante un tercer tiempo de reposo determinado los modulos antes de ejecutar la descarga del paso a) para que dichos modulos puedan entregar su capacidad correctamente, el tiempo de reposo se establece para que los modulos rebajen el umbral de temperatura.
La invencion puede contemplar el equilibrado de la bateria, para dicho equilibrado se repite la descarga del paso a) y se comprueba que los modulos tienen una capacidad similar y sin grandes diferencias de amperaje entre ellos, entendiendose 0.3 A como la maxima diferencia aceptable.
El umbral de temperatura fijado para considerar que los modulos estan en condiciones optimas de seguir trabajando con ellos se establece, segun algunas realizaciones de la invencion en 20 grados centigrados.
Una realization de la invencion contempla que la bateria de Ni-Mh a regenerar posea concretamente un voltaje total de 201 voltios y 6.5 ah de capacidad. Como posible configuration contemplada por la realizacion preferente, se utilizan 28 elementos conectados en serie, teniendo cada elemento 6 celdas conectadas a su vez en serie, con un voltaje de 1,2V y una capacidad de 6,5 ah cada una. Para estos parametros la intensidad de descarga del paso a), en esta realizacion, es de 6,5 amperios y el primer voltaje de corte se fija en 5,4 voltios. Del mismo modo, la segunda intensidad de descarga del paso b) es de 0,60 amperios y el segundo voltaje de corte se fija en 2,4 voltios.
Los tiempos de reposo para enfriar los modulos de la bateria varian dependiendo del proceso llevado a cabo, es decir, segun se realiza una carga, una descarga rapida o una descarga profunda. Segun los parametros contemplados en la realizacion preferente de la invencion, la temperatura optima para trabajar con los modulos es de aproximadamente 20 grados, existiendo un margen razonable de 10 grados centigrados, luego los tiempos que se
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necesitan para rebajar la temperatura hasta ese umbral vienen dados por unos tiempos de reposo de al menos 24 horas, 2 horas y 48 horas para una carga parcial, descarga y carga completa respectivamente.
Otro aspecto de la invention se refiere a un programa informatico que comprende medios de codigo de programa adaptados para realizar las etapas del metodo, cuando dicho programa se ejecuta en un procesador de proposito general, un procesador de senal digital, una FPGA, un ASIC, un microprocesador, un microcontrolador, o cualquier otra forma de hardware programable.
La invencion propuesta aplica directamente a la baterias de Ni-Mh utilizadas en automoviles de propulsion electrica, aunque ligeras modificaciones hacen posible adaptar los parametros que se han incluido en la description para aportar mayor claridad a la misma y aprovechar las ensenanzas de este documento en cualquier otra situation (otros vehiculos como bicicletas, motocicletas, pequenas avionetas, electrodomesticos...) en la que se utilicen baterias de Ni-Mh ya que su regeneration comprendera en esencia los mismos pasos. La regeneration de estas baterias supone en la practica alargar la vida util de las mismas, elimina el gasto de recursos empleados en fabricar nuevas baterias de sustitucion y evita la production de residuos contaminantes producto de las baterias usadas e inservibles.
Descripcion de los dibujos
Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realization practica del mismo, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- muestra un esquema de un sistema hlbrido segun el estado del arte que comprende una bateria de NiMh.
Figura 2.- muestra un esquema de una batena de Ni-Mh y un detalle de los modulos y celdas que la componen.
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Realizacion preferente de la invencion
Para un mejor entendimiento de la invencion se aporta la siguiente description detallada de acuerdo a una realizacion preferente de la misma.
En esta realizacion preferente se atendera a un bateria de Ni-Mh ripicamente comercializada en modelos de automovil como por ejemplo el Prius de la marca Toyota. Dicha bateria consta de 28 modulos o elementos, los cuales constan cada uno en su interior de 6 celdas conectadas en serie. Las celdas albergan una potencia de 1,2 voltios cada una y 6,5AH de capacidad. De esta forma, cada uno de los 28 modulos de que consta la bateria albergan 7,2 voltios y 6,5 AH de capacidad cada uno. Todos estos modulos estan a su vez conectados en serie unos con otros formando el conjunto total una bateria de 201 ,02 voltios y 6,5AH de capacidad en C3 (se entiende por C3 las horas seguidas durante las que la bateria es capaz de entregar dicha intensidad como maximo).
Todo este conjunto se conecta por medio de unos cables de alta tension al vehiculo de forma que la energia electrica puede aprovecharse para desplazar el vehiculo. En la figura 1 puede verse un ejemplo en el que un coche hibrido (1) se encuentra conectado a una bateria (2) como las que puede atender el metodo propuesto y, en la figura 2, se representa con un mayor detalle la propia bateria (2) de forma que pueden apreciarse los modulos (3) que componen dicha bateria y las celdas que albergan.
De acuerdo a esta realizacion preferente, aunque puede obviarse en otras realizaciones de la invencion, el primer paso para la regeneration de una bateria Ni-Mh consiste en una primera carga parcial en la que los modulos de la bateria se cargan individualmente mediante un cargador estandar de los existentes en el mercado, como por ejemplo un cargador IMAX B6AC, cargadores B6, cargadores B6Pro u cargadores Onyx Duratrax 210, 220, 230, 235, 240 y 245. Dependiendo del numero de cargadores disponibles la carga se puede realizar en una o en varias fases y, en otras realizaciones de la invencion la carga se puede realizar incluso mediante maquinas de regeneracion debidamente configuradas. Ejemplos de maquinas de regeneracion usadas son: regenerador MAROO M- 1001L, regenerador MAROO M-1005G, regenerador MAROO M-1007, regenerador MAROO M-1009A, regeneradores Zeus, regeneradores Mcbat Brc-100, regeneradores ( battery plus ), Brt start , Brt golf , Brt mini , Brt medium , Brt maxi 120 , Brt maxi Ups y Brt maxi Gold.
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Esta primera carga se realiza preferentemente a una intensidad controlada entre los 0,5 amperios y los 5 amperios para conseguir una carga correcta de los modulos, ya que saliendo de este rango los modulos de 6,5 amperios podrian cargarse incorrectamente o resultar danados. El final de la carga viene marcado por el mismo cargador automatico.
Durante la carga de los modulos, la temperatura de los mismos sube considerablemente y por tanto, una vez todos los modulos han sido cargados, hay que dejar reposar la bateria para que se produzca su enfriamiento antes de proceder con la descarga del proximo paso. En caso de no respetar el tiempo de enfriamiento la consecuencia es que la bateria no entrega su capacidad correctamente.
La temperatura optima de funcionamiento para esta realization preferente comienza en torno a los 20 grados cenrigrados, aunque en un rango de 10 a 30 grados cenrigrados los resultados tambien son buenos y algunas realizaciones de la invention trabajan incluso con temperaturas inferiores por alcanzar un mejor rendimiento aun a costa de mayores tiempos de espera. Para alcanzar los 20 grados cenrigrados en la bateria antes de continuar con el siguiente paso del proceso de regeneration, que consistira en una descarga rapida de la bateria, se establece un parametro de tiempo de espera o tiempo de reposo, que en la realizacion preferente se calcula de 24 horas para el enfriamiento de la bateria.
Una vez ha transcurrido el tiempo de enfriamiento y los modulos se encuentran en condiciones optimas, el siguiente paso para la regeneracion de la bateria de Ni-Mh consiste en una descarga rapida de cada uno de los modulos a una intensidad determinada que, en la realizacion preferente de esta description se establece en 6,5 amperios de intensidad y lleva cada modulo hasta un voltaje de corte que, en este ejemplo, se establece en 5,40 voltios. Este valor para el voltaje de corte es propio de esta realizacion preferente, pero tanto los parametros de las cargas como las descargas pueden variarse ligeramente consiguiendo resultados parecidos en el proceso, aunque a medida que se desvien de los indicados se sacrificaran otras variables como el tiempo, la seguridad, la duration de la bateria, fiabilidad del proceso o incluso se pueden provocar danos en el interior de la bateria e impedir que esta desarrolle con posteridad un correcto funcionamiento y no ser valida para desarrollar su funcion al haber danado, por ejemplo, los modulos con una descarga mas profunda de la indicada en esta descripcion.
La descarga rapida que acaba de ser descrita (y la descarga lenta que se describe a continuation) es realizada mediante descargadores estandar que se comercializan en el
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mercado como por ejemplo un descargador tipo CBA 1, CBA 2, CBA 3 o CBA 4. Conectados a un ordenador, estos descargadores permiten a un operario visualizar el proceso de descarga mediante la representation de graficas de las que obtener information sobre el estado y la capacidad de cada modulo.
Al igual que la etapa de carga explicada anteriormente, una maquina regeneradora configurada apropiadamente puede sustituir a los descargadores en algunas realizaciones de la invencion.
Una vez finalizada la etapa de descarga rapida, el proceso para la regeneration de una bateria Ni-Mh pasa por una segunda etapa descarga, pero a diferencia de la anterior, se trata de una descarga lenta en la que los parametros son variados reduciendo la corriente de descarga y el voltaje de corte de forma significativa. De acuerdo a la realization preferente se establecen una intensidad de 0,60 amperios para descargar cada modulo hasta alcanzar 2,40 voltios como voltaje de corte. Esta segunda descarga es una descarga profunda por lo que para preservar los modulos y evitar que sufran danos irreparables en su interior se necesita una descarga lenta con valores aproximados a los propuestos segun la realizacion preferente.
Durante la descarga lenta, los modulos elevan su temperatura y conviene enfriarlos antes de continuar con el proceso y volver a ser cargados. Como se ha explicado anteriormente, el enfriamiento se consigue respetando un tiempo de reposo, en esta realizacion preferente es de aproximadamente 2 horas, que lleva la temperatura hasta un rango comprendido entre los 10 y 30 grados cenrigrados. Alrededor de los 20 grados ya se considera una temperatura optima para seguir trabajando.
Concluido el tiempo de reposo y enfriados los modulos, se procede a realizar una carga completa de la bateria de la misma forma que se ha descrito anteriormente. Los modulos se cargan completamente mediante un cargador cualquiera de los ya mencionados a una intensidad controlada entre los 0,5 amperios y los 5 amperios para conseguir una carga correcta de los modulos, ya que saliendo de este rango los modulos de 6,5 amperios podrian cargarse incorrectamente o resultar danados. El final de la carga viene marcado por el mismo cargador automatico.
Durante la carga de los modulos, la temperatura de los mismos vuelve a subir
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considerablemente y por tanto, una vez todos los modulos han sido cargados, hay que dejar reposar la bateria, para que se produzca su enfriamiento y que pueda entrega su capacidad correctamente, un tiempo establecido en esta realization preferente de al menos 48 horas. Este incremento en el tiempo de enfriamiento respecto a la primera carga, que era tan solo de 24 horas, se debe a que ahora los modulos han sido cargados desde unos parametros mmimos y la intensidad y el tiempo empleados provocan en los modulos una subida considerable de temperatura e incluso su inflamacion y expulsion de gases de hidrogeno. Por ello se necesita mas tiempo para rebajar la temperatura hasta situarla en torno a los 20 grados cenrigrados que se han establecido como condiciones optimas que en el caso de la primera carga, donde los modulos no parrian de un estado totalmente descargado.
Transcurrido el tiempo de enfriamiento y recuperados los modulos una temperatura optima para continuar el proceso, en la realizacion preferente se incluye un paso adicional que garantiza la calidad y buen funcionamiento de la bateria, el cual consiste en realizar un equilibrado de la bateria. Se repite la descarga rapida comentada con anterioridad y los 28 modulos que componen la bateria de este ejemplo quedan con una capacidad similar. En ningun caso estas capacidades pueden albergar diferencias mayores entre ellas de un valor fijado en 0,3 amperios para ser considerada una bateria equilibrada. De detectar algun modulo que no cumple dicho requisito, este sera sustituido.
La bateria ha sido asi regenerada y puede volver a instalarse para que continue entregando su capacidad y cumplir la misma funcion que venia realizando antes de agotar su vida util y tener que recurrir al proceso de regeneration propuesto en esta invention.

Claims (17)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. - Metodo para la regeneration de una bateria de Ni-Mh con una pluralidad de modulos, dicho metodo esta caracterizado por que comprende los pasos de:
    a) realizar, mediante al menos un descargador, una primera descarga de cada uno de los modulos de la bateria a una primera intensidad de descarga hasta que cada modulo alcance un primer voltaje de corte determinado previamente;
    b) realizar, mediante al menos un descargador, una segunda descarga a una segunda intensidad de descarga, menor que la utilizada en el paso a), hasta que cada modulo pase del primer voltaje de corte a un segundo voltaje de corte determinado previamente;
    c) despues de la segunda descarga, enfriar los modulos estableciendo un primer tiempo de de reposo determinado hasta que la temperatura de los modulos sea inferior a un umbral de temperatura;
    d) una vez enfriados los modulos, cargar completamente dichos modulos a una intensidad de carga determinada, mediante al menos un cargador.
  2. 2. - Metodo de acuerdo a la revindication 1 caracterizado por que ademas comprende el paso de:
    e) una vez completada la carga del paso d), enfriar durante un segundo tiempo de reposo determinado los modulos hasta que su temperatura sea inferior al umbral de temperatura.
  3. 3. - Metodo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que ademas comprende los pasos previos de:
    - cargar completamente la pluralidad de modulos de la bateria del mismo modo que el paso d);
    - despues de la carga, enfriar durante un tercer tiempo de reposo determinado los modulos antes de ejecutar la descarga del paso a) para que dichos modulos puedan rebajar su temperatura al menos hasta el umbral de temperatura.
  4. 4. - Metodo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que ademas comprende el equilibrado de la bateria, para dicho equilibrado se repite la descarga del paso a) y se comprueba que los modulos tienen una capacidad similar y sin grandes diferencias de amperaje entre ellos, entendiendose 0.3 A como la maxima diferencia de
    5
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    15
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    amperaje aceptable.
  5. 5. - Metodo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el umbral de temperatura se establece en 20 grados centigrados.
  6. 6. - Metodo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la bateria de Ni-Mh a regenerar tiene un voltaje total de 201 voltios y 6,5 ah de capacidad.
  7. 7. - Metodo de acuerdo a las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la primera intensidad de descarga del paso a) es de 6,5 amperios y el primer voltaje de corte se fija en
  8. 5.4 voltios.
  9. 8. - Metodo de acuerdo a las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la segunda intensidad de descarga del paso b) es de 0,60 amperios y el segundo voltaje de corte se fija en 2,4 voltios.
  10. 9. - Metodo de acuerdo a las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el primer tiempo de reposo del paso c) para que los modulos rebajen su temperatura del umbral, se fija en al menos 2 horas.
  11. 10. - Metodo de acuerdo a las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la intensidad de carga del paso d) se situa en un rango de 0,5 amperios a 5 amperios.
  12. 11. - Metodo de acuerdo a las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el segundo tiempo de reposo para que los modulos rebajen su temperatura por debajo del umbral, se fija en al menos 48 horas.
  13. 12. - Metodo de acuerdo a las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el tercer tiempo de reposo para que los modulos rebajen su temperatura por debajo del umbral, se fija en al menos 24 horas.
  14. 13. - Metodo de acuerdo a la reivindicacion 5 caracterizado por que la capacidad y el voltaje total de la bateria se consigue mediante 28 elementos conectado en serie, teniendo cada elemento 6 celdas conectadas a su vez en serie, con un voltaje de 1,2V y una capacidad de
  15. 6.5 ah cada una.
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    25
  16. 14. - Metodo de acuerdo a la reivindicacion 13 caracterizado por que la bateria se encuentra conectada a un vehteulo hforido que puede propulsarse electricamente.
  17. 15. - Programa informatico caracterizado por que comprende medios de codigo de programa adaptados para realizar las etapas del procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, cuando dicho programa se ejecuta en un procesador de proposito general, un procesador de senal digital, una FPGA, un ASIC, un microprocesador, un microcontrolador, o cualquier otra forma de hardware programable.
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