ES2552364B1 - 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

OBJETO DE LA INVENCIÓN
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.
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.
Estas baterías pueden ser de distintos tipos, incluyendo la situación de que se utilicen baterías de tipo bolsa, en las que las baterías no tienen resistencia mecánica por sí misma, necesitando de un envolvente mecánico que les proporcione la rigidez mecánica adecuada, afectando este envolvente de forma importante a la transferencia de calor hacia el exterior cuando las baterías generan calor durante el proceso de carga y descarga.
Para alargar lo máximo posible la vida útil de las baterías 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.
5 También resulta muy importante el controlar la temperatura de cada una de las baterías, controlando especialmente la situación cuando hay una baja temperatura en la batería, ya que en esta situación el nivel de corriente que pueden proporcionar es mucho más bajo que a temperaturas del orden de 25ºC.
10 En consecuencia, es necesario controlar de un modo sencillo el estado de cada una de las baterías de forma individual (denominado SOH, State of Health), 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
15 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
20 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
25 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.
30 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. La ubicación de estas tarjetas es lo más próximo posible a las propias baterías, de forma que este sistema de balanceo se puede utilizar también para calefactar las celdas situadas en la proximidad del BMS para asegurar que las baterías pueden funcionar en condiciones de baja temperatura. 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.
Estas tarjetas deben colocarse lo mas cerca posible de las propias baterías a controlar, de forma que se reduce la longitud de los cables de conexión con las tarjetas y se puede utilizar el calor que disipan las resistencias en calefactar las baterías, mediante la transmisión del calor disipado por las resistencias a las propias celdas utilizando para ello el envolvente metálico que protege a las propias baterías.
Estas resistencias presentes en las tarjetas (T) se pueden activar tanto durante el proceso de carga de las baterías, como en estado de espera cuando el almacén de energía no está siendo utilizado, de forma que el coordinador (C) puede comprobar la temperatura a la que están las baterías, procediendo a disipar parte de la energía de las baterías en calor para evitar un enfriamiento excesivo del pack de baterías en caso de condiciones térmicas externas adversas. Este proceso de acondicionamiento térmico puede realizarse siempre que se disponga de energía suficiente en las baterías para no afectar a su vida.
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).
El coordinador (T) dispone de una memoria de almacenamiento no volátil que dispone de una tabla que registra la variación de la resistencia interna de la batería en distintas situaciones de temperatura, estado de carga y número de ciclos realizados, que se utiliza como referencia para calcular la desviación entre el valor de la resistencia interna de la batería (B) medida por las diferentes tarjetas de lectura (T), utilizando esta desviación como una medida
del estado de salud de esa batería en concreto.
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 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 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 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 (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Sistema de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio que 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 tanto su resistencia interna mediante la variación de la tensión en función de la corriente consumida en la descarga como 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,
    en donde el sistema está caracterizado por que el coordinador (T) comprende una memoria de almacenamiento no volátil que dispone de una tabla que registra la variación de la resistencia interna de las baterías (B) en distintas situaciones de temperatura, estado de carga y número de ciclos realizados, que se utiliza como referencia para calcular la desviación entre el valor de la resistencia interna de la batería (B) medida por las diferentes tarjetas de lectura (T), utilizando esta desviación como una medida del estado de salud de esa batería en concreto.
  2. 2.
    Sistema de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el conversor A/D es un modelo LTC6802.
  3. 3.
    Sistema de gestión electrónico para monitorización y control de baterías 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 eléctrico que comprende el sistema de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio de cualquiera de las reivindicaciones 1-3.
  5. 5.
    Procedimiento de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio mediante el sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que 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, y 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, en donde el procedimiento está caracterizado por que comprende:
    -
    calcular el estado de salud (SOH) de la celda a partir de la desviación de la resistencia interna de la celdas medida durante un proceso de descarga respecto a una tabla que se utiliza como referencia, y
    -
    evitar un enfriamiento excesivo de las baterías utilizando la energía almacenada en las propias celdas que se convierte en calor por las resistencias de potencia que se utilizan durante una operación de balanceo de la carga de la batería.
  6. 6.
    Procedimiento de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio según cualquiera de las reivindicaciones 5, caracterizado por que además comprende verificar que ninguna de las baterías (B) llegue a tener una tensión por debajo de la tensión mínima recomendada.
  7. 7.
    Procedimiento de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio según cualquiera de las reivindicaciones 5-6, caracterizado por que además comprende limitar la velocidad del vehículo cuando la carga de las baterías (B) cae por debajo de un umbral inferior.
  8. 8.
    Procedimiento de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio según la reivindicación 5, caracterizado por que además comprende detener la carga cuando alguna de las baterías (B) supera la tensión máxima recomendada.
  9. 9.
    Procedimiento de gestión electrónico para monitorización y control de baterías de litio según cualquiera de las reivindicaciones 5-6, caracterizado por que además comprende desconectar
    el motor (M) cuando la corriente por las baterías (B) supera un determinado umbral durante un determinado intervalo de tiempo.
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