ES2552364A1 - Sistema de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio - Google Patents

Sistema de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio Download PDF

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Abstract

Sistema de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio. La presente invención describe un sistema 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, así como mejorar su comportamiento en condiciones de baja temperatura.

Description

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Sistema de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio.
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention describe un sistema para gestionar de una manera optima la carga y descarga de un conjunto de baterlas, mas particularmente, un conjunto de baterlas para un vehlculo electrico, as! como mejorar su comportamiento en condiciones de baja temperatura.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
El funcionamiento de un vehlculo electrico requiere de un almacen de energla, normalmente constituido por un grupo de baterlas interconectadas segun diferentes combinaciones serie/paralelo segun cada caso. Aunque las caracterlsticas de las baterlas que se utilizan en un mismo coche electrico son similares, puede haber pequenas diferencias entre ellas debido a los procesos de fabrication, principalmente en cuanto al nivel de energla electrica que son capaces de almacenar o a parametros como la corriente de auto descarga. Estas diferencias, aun siendo pequenas, provocan que en la repetition de ciclos de carga y descarga algunas baterlas acumulen tension por encima del resto y que otras se descarguen mas de lo debido.
Estas baterlas pueden ser de distintos tipos, incluyendo la situation de que se utilicen baterlas de tipo bolsa, en las que las baterlas no tienen resistencia mecanica por si misma, necesitando de un envolvente mecanico que les proporcione la rigidez mecanica adecuada, afectando este envolvente de forma importante a la transferencia de calor hacia el exterior cuando las baterlas generan calor durante el proceso de carga y descarga.
Para alargar lo maximo posible la vida util de las baterlas es aconsejable mantener en todo momento las baterlas dentro de las especificaciones del fabricante, que normalmente consisten en unos niveles de tension de celda maximo y mlnimo. Esto es especialmente importante en ciertos tipos de baterlas, como por ejemplo en las baterlas de ion de litio, cuya vida util puede verse reducida enormemente si se sobrecargan o se sobredescargan. Este problema es especialmente grave en vista del elevado precio de las baterlas.
Tambien resulta muy importante el controlar la temperatura de cada una de las baterlas, controlando especialmente la situacion cuando hay una baja temperatura en la baterla, ya que en esta situacion el nivel de corriente que pueden proporcionar es mucho mas bajo que a temperaturas del orden de 25°C.
En consecuencia, es necesario controlar de un modo sencillo el estado de cada una de las baterlas de forma individual (denominado SOH, State of Health), de forma que el mal funcionamiento de una de ellas sea rapidamente detectado y no comprometa el funcionamiento del conjunto completo. Ademas, es tambien muy importante conocer en todo momento el nivel de energla disponible dentro de cada baterla para poder estimar el alcance de un vehlculo electrico.
Por otro lado, es critico controlar la adecuada conexion de las baterlas entre si, ya que, debido a las elevadas intensidades que circulan en un vehlculo electrico, la existencia de pequenas resistencias causadas por mal contacto electrico entre las baterlas pueden provocar perdida de potencia y sobrecalentamiento.
Ademas, el sistema debe controlar tambien las situaciones catastroficas, por ejemplo un consumo de corriente de las baterlas por encima del maximo marcado para el motor electrico, como el que se producirla en caso de un cortocircuito accidental a la salida del bloque de las
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baterlas. Estas situaciones no siempre pueden controlarse adecuadamente con un fusible convencional, ya que el tiempo de actuacion de un fusible de gran tamano es muy largo, y ademas 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 aun el problema de modo satisfactorio.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
El sistema de la presente invencion resuelve la problematica anterior gracias a un sistema que mide la carga de cada baterla, su temperatura y la corriente de carga/descarga que la atraviesa, y en funcion de estos datos decide si es necesario disipar parte de la energla aportada a una baterla particular durante una operacion de carga, o bien tomar otro tipo de medidas. Para ello, el sistema de gestion de carga de baterlas en un vehlculo electrico de la presente invencion comprende:
a) Un sensor de la corriente que atraviesa las baterlas, preferentemente un sensor de corriente por efecto Hall. Este sensor de corriente permite controlar el estado de carga de las baterlas, y detectar situaciones tales como una sobrecorriente por encima de los niveles maximos recomendados.
b) Una pluralidad de tarjetas de control de baterlas, cada una de las cuales esta conectada hasta a 12 baterlas y hasta a 3 sensores de temperatura. Los sensores de temperatura sirven para comprobar la temperatura en la zona de las baterlas y, adicionalmente, aseguran que en el proceso de balanceo por cargas resistivas de las baterlas no se produzcan sobrecalentamientos en las tarjetas de control de baterlas. En este contexto, un proceso de balanceo consiste en disipar en calor la energla sobrante de una baterla particular durante una operacion de carga. La ubicacion de estas tarjetas es lo mas proximo posible a las propias baterlas, de forma que este sistema de balanceo se puede utilizar tambien para calefactar las celdas situadas en la proximidad del BMS para asegurar que las baterlas pueden funcionar en condiciones de baja temperatura. Cada tarjeta de control de baterlas comprende un conversor A/D que convierte las tensiones de las baterlas de analogico a digital, una pluralidad de resistencias de potencia que disipan energla sobrante durante procesos de balanceo, y un microcontrolador que controla su funcionamiento. Preferentemente, el conversor A/D es un modelo LTC6802, aunque podrla ser cualquier otro modelo.
c) Un coordinador de tarjetas de control de baterlas conectado al microcontrolador de cada tarjeta de control de baterlas y a un sensor de la corriente que atraviesa las baterlas, preferentemente un sensor de corriente de efecto Hall. El coordinador de tarjetas recibe los datos acerca del nivel de carga de las baterlas y su temperatura (de las tarjetas de control de baterlas), as! 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 baterla.
d) Un bus con aislamiento galvanico, que interconecta las baterlas, el controlador y el sensor de corriente. De este modo, es posible solucionar las diferencias de tension que generan las propias baterlas que se pretenden controlar.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La Fig. 1 muestra un esquema de las diferentes partes que componen el sistema de la invencion.
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Se describe a continuation un ejemplo de sistema de acuerdo con la presente invention haciendo referencia a la figura adjunta, en la que se ha representado un conjunto de 15 baterlas (B) que alimenta un motor (M) de un vehlculo electrico y que esta controlado por medio del sistema de la invention.
El sistema de este ejemplo comprende 3 tarjetas (T) de lectura respectivamente conectadas a conjuntos de 5 batehas (B1...B5; B6... B10; B11...B15). Notese que se trata unicamente de un ejemplo simplificado de la invention, ya que realmente cada tarjeta (T) es conectable hasta a 12 baterlas (B). Cada tarjeta (T) de lectura esta conectada ademas 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 baterlas y de la propia tarjeta (T) de lectura.
Estas tarjetas deben colocarse lo mas cerca posible de las propias baterlas a controlar, de forma que se reduce la longitud de los cables de conexion con las tarjetas y se puede utilizar el calor que disipan las resistencias en calefactar las baterlas, mediante la transmision del calor disipado por las resistencias a las propias celdas utilizando para ello el envolvente metalico que protege a las propias baterlas.
Estas resistencias presentes en las tarjetas (T) se pueden activar tanto durante el proceso de carga de las baterlas, como en estado de espera cuando el almacen de energla no esta siendo utilizado, de forma que el coordinador (C) puede comprobar la temperatura a la que estan las baterlas, procediendo a disipar parte de la energla de las baterlas en calor para evitar un enfriamiento excesivo del pack de baterlas en caso de condiciones termicas externas adversas. Este proceso de acondicionamiento termico puede realizarse siempre que se disponga de energla suficiente en las baterlas para no afectar a su vida.
El sistema comprende ademas un coordinador (C) de tarjetas conectado a traves de un bus (B) aislado galvanicamente a las diferentes tarjetas (t) de lectura y al sensor (I) de corriente. De este modo, cada tarjeta (T) recibe periodicamente datos acerca de las baterlas (B) a las que esta conectada, en concreto nivel de carga y temperatura, y envla estos datos al coordinador (C) de tarjetas a traves del bus (B) aislado galvanicamente. El coordinador (C), teniendo tambien en cuenta la corriente de carga que recibe del sensor (I) de corriente, realiza los calculos necesarios para determinar si es necesario balancear la carga de alguna de las baterlas (B) y, en ese caso, se comunica con la tarjeta (T) correspondiente para enviar las ordenes adecuadas.
Mas concretamente, durante los procesos de descarga, el sistema verifica el estado de las baterlas (B) comprobando posibles excesos de temperatura y controlando, a traves de la medida simultanea de la tension y de la corriente, el estado de la carga de cada baterla (B) y el valor de su resistencia interna gracias a la variation de la tension en funcion de la corriente consumida en la descarga. Ademas, durante la descarga el sistema comprueba la correcta integridad de todas las interconexiones de las baterlas (B) entre si al formar el circuito serie de baterlas (B), ya que en caso de haber una conexion defectuosa que tuviera un cierto valor ohmico esta pequena resistencia serla visualizada como un aumento de la resistencia interna de esa misma baterla (B).
El coordinador (T) dispone de una memoria de almacenamiento no volatil que dispone de una tabla que registra la variation de la resistencia interna de la baterla en distintas situaciones de temperatura, estado de carga y numero de ciclos realizados, que se utiliza como referencia para calcular la desviacion entre el valor de la resistencia interna de la baterla (B) medida por las diferentes tarjetas de lectura (T), utilizando esta desviacion como una medida del estado de salud de esa baterla en concreto.
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Este sistema tambien asegura que durante el proceso de descarga ninguna de las baterlas (B) llegue a tener una tension por debajo de la tension minima de trabajo recomendada por el fabricante. Ademas, esta information de la cantidad de energla disponible en cada baterla (B) durante la descarga puede utilizarse para forzar un modo de consumo reducido (por ejemplo, mediante la limitation de la velocidad maxima) en el vehlculo electrico cuando la carga de las baterlas (B) cae por debajo de un umbral determinado.
Por otro lado, durante procesos de carga, la funcion del sistema es comprobar que ninguna de las baterlas (B) se carga por encima de la tension maxima recomendada por el fabricante. En caso de detectarse esta situation, se activaran las llneas de salida necesarias para detener la carga y de esta forma evitar la sobrecarga de una baterla (B).
Adicionalmente, durante el proceso de carga se realiza un proceso de balanceado consistente en activar una corriente de descarga individual en aquellas baterlas (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 baterlas (B) que tengan una tension por encima del resto de baterlas (B). De esta forma, mediante la descarga selectiva de aquellas baterlas (B) con tensiones mas altas se consigue alcanzar en los pasos finales del proceso de balanceo una tension uniforme y equivalente a la tension maxima de carga recomendada por el fabricante en todo el grupo de baterlas (B).
El sistema tambien es capaz de detectar cortocircuitos accidentales a la salida de las baterlas, que pueden producirse de forma excepcional en situaciones como una mala manipulation de la zona del motor o en un accidente de circulation, complementando as! la funcionalidad que puede proporcionar un fusible convencional. Para ello, el sensor (I) de corriente del sistema monitoriza de forma periodica la corriente consumida de las baterlas (B), y en caso de detectar una corriente mayor a un determinado umbral durante un determinado tiempo, acciona una llnea de salida que permite cortar con el procedimiento mecanico adecuado (normalmente un rele) la salida de las baterlas (B) que va hacia el motor (M), salvaguardando de esta forma la integridad de las baterlas (B).

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    1. Sistema de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio caracterizado por que comprende:
    - una pluralidad de tarjetas (T) de lectura de baterlas (B), cada una de las cuales esta conectada a hasta 12 baterlas (B) y a hasta 3 sensores de temperatura, y que comprende un conversor A/D que convierte las tensiones de las baterlas (B) de analogico a digital, una pluralidad de resistencias de potencia que disipan energla sobrante durante operaciones de balanceo, y un microcontrolador que controla su funcionamiento;
    - un coordinador (C) de tarjetas (T) de control de baterlas (B) conectado al microcontrolador de cada tarjeta (T) de control de baterlas (B) y a un sensor (I) de la corriente que atraviesa las baterlas (B), que recibe la corriente, temperatura y carga de cada baterla (B) y determina si es necesario una operation de balanceo para no superar la tension maxima recomendada de alguna de las baterlas (B); y
    - un bus (B) con aislamiento galvanico que interconecta las baterlas (B), el controlador (C) y el sensor (I) de corriente.
  2. 2. Sistema de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el conversor A/D es un modelo LTC6802.
  3. 3. Sistema de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el sensor (I) de corriente es un sensor de corriente por efecto Hall.
  4. 4. Coche electrico que comprende el sistema de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio de cualquiera de las reivindicaciones 1-3.
  5. 5. Procedimiento de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio mediante el sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que comprende verificar que ninguna de las baterlas (B) se carga por encima de una tension maxima recomendada, realizando descargas individuales en baterlas (B) cuyo nivel de carga sea excesivo.
  6. 6. Procedimiento de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio segun la reivindicacion 5, caracterizado por que ademas comprende monitorizar la resistencia interna de las baterlas (B) y determinar la aparicion de una conexion defectuosa en caso de detectar un aumento excesivo de alguna de ellas.
  7. 7. Procedimiento de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio segun reivindicacion 6 caracterizado por que el estado de salud (SOH) de la celda se calcula a partir de la desviacion de la resistencia interna de la celdas medida durante un proceso de descarga respecto a una tabla que se utiliza como referencia.
  8. 8. Procedimiento de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio segun cualquiera de las reivindicaciones 5-6, caracterizado por que ademas comprende verificar que ninguna de las baterlas (B) llegue a tener una tension por debajo de la tension minima recomendada.
  9. 9. Procedimiento de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio segun cualquiera de las reivindicaciones 5-7, caracterizado por que ademas comprende limitar la velocidad del vehlculo cuando la carga de las baterlas (B) cae por debajo de un umbral inferior.
  10. 10. Procedimiento de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio segun la reivindicacion 5, caracterizado por que ademas comprende detener la carga cuando alguna de las baterlas (B) supera la tension maxima recomendada.
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  11. 11. Procedimiento de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio segun cualquiera de las reivindicaciones 5-7, caracterizado por que ademas comprende desconectar el motor (M) cuando la corriente por las baterlas (B) supera un determinado umbral durante un determinado intervalo de tiempo.
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  12. 12. Procedimiento de gestion electronico para monitorizacion y control de baterlas de litio segun cualquiera de las reivindicaciones 5-11 caracterizado por que comprende una etapa de acondicionamiento termico que permite evitar un enfriamiento excesivo de las baterlas utilizando la energla almacenada en las propias celdas que se convierte en calor por las resistencias de
    15 potencia que se utilizan durante una operacion de balanceo de la carga de la baterla.
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