ES2645039T3 - Método de gestión del estado de carga de una batería - Google Patents

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ES2645039T3 ES10773202.6T ES10773202T ES2645039T3 ES 2645039 T3 ES2645039 T3 ES 2645039T3 ES 10773202 T ES10773202 T ES 10773202T ES 2645039 T3 ES2645039 T3 ES 2645039T3
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Abstract

Un método de gestión del estado de carga de una batería en un sistema híbrido de alimentación eléctrica que comprende una célula de combustible, comprendiendo el método: definir un punto de consigna; calcular un estado de carga actual estimado de la batería usando la corriente de la batería y la tensión de batería, en el que el estado de carga actual estimado de la batería se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación:**Fórmula** en la que Ed C(k) es el estado actual estimado de la carga de la batería; Ed C(k-1) es un estado previamente estimado de la carga de la batería; Ts es el tiempo transcurrido en segundos desde que se calculó el estado de carga de la batería previamente estimado; Ibatería(k) es la corriente de la batería; L es la ganancia del observador; Vbus(k) es la tensión de batería; Vca es una tensión en circuito abierto de la batería; RSerie es un valor de resistencia elegido para modelizar la impedancia de la batería; y Cc(Ib) se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación cuando Ibatería(k) es mayor que o igual a cero: Cc(Ib) >= 3600 * Amperios-hora nominales de la batería * e-Coef de descarga * Ibatería(k) y Cc(Ib) se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación cuando Ibatería(k) es menor que cero: Cc(Ib) >= 3600 * (Amperios-hora nominales de la batería - Coef de carga * Ibatería(k); y regular el estado de carga de la batería mediante la manipulación de una corriente de célula de combustible suministrada desde la célula de combustible a la batería basándose en la diferencia entre el punto de consigna y el estado actual estimado de carga de la batería.

Description

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DESCRIPCION
Metodo de gestion del estado de carga de una baterla
Los vehlculos electricos alimentados por baterlas, tales como carretillas elevadoras y carritos de golf, se usan frecuentemente en operaciones de fabricacion, almacenamiento y venta para transporte y/o elevacion de personas y productos. Sin embargo, estos vehlculos electricos pueden tener inconvenientes. Por ejemplo, una carretilla elevadora debe recargarse cada seis a ocho horas, requiriendo espacio de almacen para baterlas de repuesto y equipo de carga. Mas aun, el rendimiento del vehlculo disminuye progresivamente cuando las baterlas van descargandose.
Por el contrario, los vehlculos electricos alimentados con celulas de combustible pueden rellenarse rapidamente, mantienen su rendimiento a lo largo de un turno, y permiten ahorros de costes eliminando la necesidad de reservar valioso espacio de almacen para almacenamiento de las baterlas y el equipo de carga. El sistema de celulas de combustible hlbrido descrito en el presente documento puede dirigirse a al menos uno de estos beneficios.
Un sistema de celula de combustible hlbrido usado en el presente documento se refiere a un sistema que comprende una celula de combustible y una baterla. El termino “baterla” usado en el presente documento se refiere ampliamente a un dispositivo que puede almacenar y dispensar repetidamente energla electrica, incluyendo pero sin limitarse a baterlas qulmicas (por ejemplo, una baterla de plomo-acido, una baterla de ion de litio, una baterla nlquel-metal hidruro, una baterla de nlquel-cadmio) y ultra condensadores.
En el sistema de alimentacion hlbrido, la celula de combustible suministra alimentacion a los motores y a la baterla durante la operation normal. La baterla amortigua la demanda electrica, suplementando a la alimentacion de la celula de combustible en picos de carga y absorbiendo energla de regeneration. Para carritos elevadores, por ejemplo, la gestion del estado de carga (“EdC”) de esta baterla es importante, dado que la baterla deberla contener suficiente energla para satisfacer la demanda electrica de picos de los motores de traction y elevacion, pero debe tambien no estar completamente cargada de modo que pueda aceptar energla de regeneracion cuando el vehlculo se somete a eventos regenerativos, tales como frenado o descenso de una carga. Si el EdC de la baterla es demasiado alto durante eventos de regeneracion, la tension de la baterla puede elevarse hasta un nivel inseguro que podrla danar la baterla, los motores, o los controladores de motores, provocando de ese modo fallos del sistema y paradas.
La gestion del EdC de la baterla requiere tlpicamente una estimation del EdC, dado que la medicion directa del EdC es frecuentemente poco practica. Es conocido en la tecnica el uso de un metodo de integration de corriente (tambien denominado contaje de Coulomb) para obtener una estimacion del EdC de una baterla. Sin embargo, este metodo padece de derivas a largo plazo que convierten a la estimacion del EdC en imprecisa al cabo del tiempo. El documento JP 2005 005009 A describe un metodo de gestion del estado de carga de una baterla secundaria en un sistema hlbrido de alimentacion electrica, en el que el estado actual de carga se calcula usando la tension y la corriente de la baterla.
La presente divulgation proporciona un metodo que usa la tension de la baterla y la corriente de la baterla para obtener una estimacion del EdC. El estimador en esta divulgacion es un observador de Luenberger basado en un modelo deducido de un circuito equivalente electrico de la baterla. En ciertas realizaciones, la estimacion del EdC se usa a continuation por un regulador que ajusta la alimentacion de la celula de combustible para mantener el EdC en un nivel de modo que la baterla tenga suficiente energla almacenada para suministrar a los motores de traccion y elevacion, y suficiente capacidad de reserva para aceptar energla de regeneracion desde estos motores.
En consecuencia, la presente invention se dirige a un metodo para la gestion del estado de carga de una baterla en un sistema de alimentacion electrica hlbrido que comprende una baterla y una celula de combustible de acuerdo con la revindication 1. El metodo comprende: definir un punto de consigna; estimar el estado actual de carga de la baterla usando la corriente de la baterla y la tension de la baterla; y regular el estado de carga de la baterla mediante la manipulation de una corriente de la celula de combustible suministrada desde la celula de combustible a la baterla basandose en la diferencia entre el punto de consigna y el estado de carga actual estimado de la baterla. Esta realization puede mantener el estado de carga de la baterla en el punto de consigna.
Breve description de los dibujos
La FIG. 1 es un esquema de una realizacion de un sistema de celula de combustible hlbrido para su uso en una carretilla elevadora.
La FIG. 2 es un circuito equivalente usado para modelizar la baterla.
La FIG. 3 es un diagrama de flujo que muestra la estimacion y control del EdC de la baterla.
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La FIG. 4 es una tabla con valores de parametros de acuerdo con una realizacion de la presente divulgacion.
La FIG. 5 y la FIG. 6 muestran datos experimentales a partir de una ejecucion simulada del sistema de alimentacion hlbrido que tiene un control del EdC de la baterla.
Description detallada
La Figura 1 ilustra un sistema de celula de combustible hlbrido para su uso en una carretilla elevadora. Conectados en paralelo sobre el mismo conductor electrico (tambien llamado “Bus”) estan el paquete de baterlas, la pila de celulas de combustible en serie con un convertidor CC/CC, los componentes de los sistemas auxiliares (SA), el motor de traction, y el motor de elevation. Los SA comprenden tlpicamente un compresor de aire, una bomba de agua, un ventilador, una unidad de control electronico, y valvulas usadas para suministro de hidrogeno, purga de agua y purga de nitrogeno. Los SA consumen una corriente de Isa a una tension Vbus. La pila de celula de combustible genera una corriente ICComb a una tension que corresponde a la curva de polarization de la celula de combustible especlfica. El convertidor CC/CC regula la tension de la celula de combustible a la tension del bus Vbus, generando una corriente Icc/cc. La corriente del motor de traccion ITraccion es positiva si la carretilla esta acelerando, y negativa si la carretilla esta frenando. La corriente del motor de elevacion IElevacion es positiva si la carretilla esta elevando una carga, y negativa si esta descendiendo una carga. La corriente de carga Icarga es la combination de la corriente de los motores de traccion y de elevacion:
Icarga _ ITraccion + IElevacion
La corriente de la baterla Catena es igual a la corriente de carga mas la corriente de los SA menos la corriente de salida del CC/CC:
IBateria _ Icarga + Isa - ICC/CC (1)
La tension de la baterla Vbus se pone a disposition de la unidad de control de la celula de combustible hlbrida o bien mediante medicion de tension directa o bien detectada por el convertidor de CC/CC y a continuation comunicada a la unidad de control. La corriente de la baterla Ibateria puede o bien medirse directamente o bien puede calcularse de acuerdo con la ecuacion (1) basandose en los valores medidos o estimados para Icarga, Isa, e Icc/cc.
La Figura 2 muestra un circuito equivalente usado para modelizar la baterla.
Cc es un gran condensador que modeliza la capacidad de la baterla y se elige de modo que el EdC = 1 para una baterla totalmente cargada:
Cc = Amperios-hora nominales de la baterla * 3600
La capacidad de la baterla se ajusta entonces para tener en cuenta la ineficiencia de descarga y carga de la baterla:
Cc(Ib) = 3600 * Amperios-hora nominales de la baterla * e-Coef de descarga * LatenaM si Ibateria s 0,
Cc(Ib) = 3600 * (Amperios-hora nominales de la baterla - Coef de carga * Ibateria(k) si Ibateria < 0,
el condensador Cc se conecta en paralelo con una fuente de corriente con la corriente Ibateria(k), para modelizar la descarga y carga de la baterla.
La tension de baterla Vbus se modeliza como la salida de un circuito que tiene una fuente de tension correspondiente a la tension en circuito abierto Vca de la baterla en serie con una resistencia Rserie que modeliza la impedancia de la baterla.
La tension a circuito abierto de la baterla se supone que tiene una relation lineal con el EdC:
Vca = VcaPendiente * EdC(k -1) + VcaDesplaz. En consecuencia, el modelo de la baterla es
I EdC = -
Cc(Ib)
1 VBus Vca RSerieIbateria
Ib
baterla
en la que el slmbolo del punto indica la derivada respecto al tiempo.
El modelo de la baterla podrla incluir tambien una resistencia colocada en paralelo con Cc para modelizar la autodescarga de la baterla, o tener una relacion no lineal entre EdC y Vca, o tener una red de resistencias y condensadores anadida a la impedancia en serie para modelizar mas precisamente transitorios en la tension de 5 baterla.
La Figura 3 es un diagrama de flujo de la estimacion y regulacion del EdC. Elaborando sobre el modelo de baterla mostrado en las ecuaciones (2), un observador Luenberger da una estimacion del EdC basandose en la tension y la corriente de baterla medidas o calculadas Vbus e I bateria.
EdC = -^ + L(VbuS - VbuS) (3)
C c
10 en la que Vb us _ Vca — Rserie Ibateria, siendo Vca = VcaPendiente * Ed C + VcaDesplaz, y en donde el slmbolo de sombrerito denota una estimacion de la variable correspondiente.
El observador Luenberger es conocido en la tecnica, y la ganancia del observador L puede calcularse usando varios metodos incluyendo colocacion de polos y filtrado Kalman. Un diseno de filtrado Kalman asumirla una estructura de proceso y ruido de medicion en la dinamica del sistema, y darla la ganancia L que minimizarla la covarianza del error 15 en estado estable del estado del sistema.
El observador conocido en la ecuacion (3) necesita discretizarse para ser implementado en la unidad de control digital del sistema de celula de combustible hlbrido. Suponiendo un tiempo de muestreo Ts para el algoritmo de
estimacion, y una aproximacion de Euler de la derivada del tiempo de EdC (es decir EdC > obtiene la siguiente implementacion discreta del observador:
EdC(k) - EdC(k -1) T.
), se
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Ed C(k) = Ed C(k - 1) + Ts
I
a (k)
Cc(Ib)
+ L(Vbus(k) Vca + RSerieIbaterla (k))
que tambien puede expresarse como sigue:
Ed C(k) = Ed C(k - 1) + Ts
+ L(Vbus(k) - VCaPendiente * EdC(k -1) - VcaDesplaz + RseJbatena(k))
Cc(Ib) _
La estimacion del EdC se fuerza a entre 0 y 1:
EdC(k) = max{0; mln{1; EcdC(k)}}.
25 La estimacion del EdC tiene su valor inicial igual a un valor registrado de la estimacion tomado durante la parada previa del sistema. Si se usa la carretilla elevadora en un modo de bajo consumo de energla, o no operada activamente, se activara un mecanismo de parada del sistema por un valor de umbral de EdC alto y se cortara la corriente electrica desde la celula de combustible, impidiendo as! que se sobrecarguen las baterlas. Por otro lado, un mecanismo de deteccion de carga que detecte una carga electrica que extraiga energla de la baterla hasta un valor 30 de umbral (por ejemplo, Ioarga = 20 amperios y superior) permitira la recarga de la baterla mediante el rearranque del sistema de celula de combustible.
La estimacion del EdC se regula hasta un valor de punto de consigna deseado (EdCpC) mediante la manipulacion de la corriente de la celula de combustible ICComb. En la presente realizacion, se usa un controlador proporcional para la regulacion del EdC, pero pueden usarse otras tecnicas de control incluyendo pero sin limitarse a proporcional- 35 integral, proporcional-integral-derivada, regulador cuadratico lineal, otros metodos de control clasicos, modernos, no lineales, robustos, optimos, estocasticos, adaptativos, inteligentes. El controlador proporcional puede expresarse como sigue:
ICComb(k) = (EdCpC - EdC(k)) * KEdC reg
en la que la ganancia de control KEdC reg puede elegirse como KEdC i
para
EdC Constante de tiempo de control conseguir la dinamica en bucle cerrado del EdC que tiene aproximadamente una constante de tiempo de EdC
Constante de tiempo segundos.
El punto de consigna de la corriente de la celula de combustible Iccomb(k) se fuerza entonces a entre un valor mlnimo Iccomb min y un valor maximo Iccomb max para maximizar la durabilidad de la pila de la celula de combustible;
IcComb(k) = max{Iccomb mjn; mln{Iccomb max; Iccomb(k)}}.
5 El Edc tambien puede regularse mediante la manipulacion de la corriente de salida del cc/cc Icc/cc en lugar de manipular la corriente de la celula de combustible Iccomb.
La Figura 5 y la Figura 6 muestran datos recogidos a partir del sistema de alimentacion hlbrido celula de combustible-baterla bajo diversas condiciones de carga simuladas mediante una carga electronica Dynaload. La Figura 5 muestra la corriente de carga Icarga y la tension del bus Vbus mientras que la Figura 6 muestra la estimation 10 del estado de carga Edc y la corriente de la celula de combustible Iccomb. Por ejemplo, puede verse a partir de la Figura 6 que el estado de carga se mantiene con exito dentro del 5 % de su punto de consigna del 90 %.
Los metodos divulgados en el presente documento pueden aplicarse, por ejemplo, en una carretilla elevadora hibridizada. Sin embargo, los metodos son aplicables a una variedad de aplicaciones que implican un sistema de alimentacion hlbrido de celula de combustible-baterla, incluyendo unidades de potencia auxiliar, sistemas de 15 potencia de reserva, generadores portatiles, y plantas de alimentacion de celula combustible en vehlculos de pasajeros.

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo de gestion del estado de carga de una baterla en un sistema hlbrido de alimentacion electrica que comprende una celula de combustible, comprendiendo el metodo:
    definir un punto de consigna;
    calcular un estado de carga actual estimado de la baterla usando la corriente de la baterla y la tension de baterla, en el que el estado de carga actual estimado de la baterla se calcula de acuerdo con la siguiente ecuacion:
    Ed C(k) = Ed C(k - 1) + Ts
    Ib
    a (k)
    Cc(Ib)
    + L(Vbus(k) - Vc.
    a(k))
    en la que
    Ecd C(k) es el estado actual estimado de la carga de la baterla; Ed C(k-1) es un estado previamente estimado de la carga de la baterla; Ts es el tiempo transcurrido en segundos desde que se calculo el estado de carga de la baterla previamente estimado; Ibateria(k) es la corriente de la baterla; L es la ganancia del observador; Vbus(k) es la tension de baterla; Vca es una tension en circuito abierto de la baterla; Rserie es un valor de resistencia elegido para modelizar la impedancia de la baterla; y Cc(Ib) se calcula de acuerdo con la siguiente ecuacion cuando Ibateria(k) es mayor que o igual a cero:
    Cc(Ib) = 3600 * Amperios-hora nominales de la baterla * e-Coef de descarga * Werialk
    y Cc(Ib) se calcula de acuerdo con la siguiente ecuacion cuando Ibateria(k) es menor que cero:
    Cc(Ib) = 3600 * (Amperios-hora nominales de la baterla - Coef de carga * Ibateria(k);
    y
    regular el estado de carga de la baterla mediante la manipulacion de una corriente de celula de combustible suministrada desde la celula de combustible a la baterla basandose en la diferencia entre el punto de consigna y el estado actual estimado de carga de la baterla.
  2. 2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la regulacion del estado de carga de la baterla regula efectivamente el estado de carga de la baterla dentro de un intervalo seleccionado, preferiblemente dentro del 5 % del punto de consigna.
  3. 3. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la regulacion del estado de carga de la baterla regula efectivamente el estado de carga de la baterla en el punto de consigna.
  4. 4. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el estado de carga de la baterla se regula mediante una tecnica de control elegida entre control proporcional, control proporcional-integral, control proporcional-integral- derivado, y control cuadratico lineal.
  5. 5. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la corriente de la celula de combustible se fija un valor definido por la ecuacion siguiente:
    ICComb(k) = (EdCpC - EdC(k)) * KEdC reg
    en la que Iooomb(k) es la corriente de la celula de combustible, EdCpo es el punto de consigna, EdC(k) es el estado de carga actual estimado de la baterla y KEdC reg es la ganancia de control.
  6. 6. El metodo de la reivindicacion 5, en el que la ganancia de control, KEdC reg se define de acuerdo con la siguiente ecuacion
    KEdC reg =
    _____________C_____________
    EdC Constante de tiempo de control
    en la que
    Cc = Amperios-hora nominales de la baterla * 3600 faradios; y EdC constante de tiempo de control es una constante de tiempo en segundos.
  7. 7. El metodo de la reivindicacion 6, en el que la corriente de la celula de combustible calculada se fuerza a entre un valor de corriente de celula de combustible mlnimo y un valor de corriente de celula de combustible maximo.
    5 8. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la tension a circuito abierto de la baterla se calcula de
    acuerdo con la siguiente ecuacion:
    Vca = VcaPENDIENTE * EdC(k-1) + VcaDESPLAZ
    en la que VcaPENDIENTE y VcaDESPLAZ son ambas constantes asociadas con la baterla
  8. 9. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la ganancia del observador se calcula usando un metodo elegido de 10 entre colocacion de polos o filtrado Kalman.
  9. 10. El metodo acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende adicionalmente forzar el estado de carga actual estimado calculado de la baterla a un valor entre 0 y 1.
  10. 11. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el estado de carga de la baterla se regula mediante la colocacion del sistema de la celula de combustible en vaclo cuando el estado de carga actual estimado de la baterla
    15 es mayor que un umbral de valor de carga de estado alto.
  11. 12. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 11, que comprende adicionalmente supervisar una carga electrica que extrae potencia de la baterla mientras el sistema esta en vaclo y rearrancar el sistema de celula de combustible cuando se detecta una carga electrica que extrae potencia de la baterla en o por encima de un valor umbral.
  12. 13. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la corriente de la baterla se mide directamente o en el 20 que se calcula la corriente de la baterla.
  13. 14. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la tension de la baterla se mide directamente o en el que la tension de la baterla se detecta mediante un convertidor CC/CC conectado en serie con la celula de combustible.
ES10773202.6T 2009-10-19 2010-10-19 Método de gestión del estado de carga de una batería Active ES2645039T3 (es)

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US25301309P 2009-10-19 2009-10-19
US253013P 2009-10-19
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