ES2711320T3 - Procedimiento de diagnóstico de baterías - Google Patents
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Abstract
Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos quepermite garantizar una elevada fiabilidad de las mismas de cara aimplantar un plan de mantenimiento predictivo, y que básicamentecomprende las etapas de medición de Ia impedancia de conjuntos de celdas o módulos de las baterías, aplicando posteriormente unacorrección de dicha impedancia en función de Ia temperatura y a continuación una corrección que tiene en cuenta el efecto que el envejecimiento de las baterías produce en dichos módulos o conjuntos de celdas.
Description
DESCRIPCION
Procedimiento de diagnostico de batenas
Objeto de la invencion
La presente solicitud de Patente de Invencion tiene por objeto el desarrollo de un procedimiento de diagnostico de batenas en entornos dinamicos que permita garantizar una elevada fiabilidad de las batenas para implementar un plan de mantenimiento predictivo, anticipandose al fallo de las mismas.
Mas concretamente, el procedimiento de la presente invencion se basa en la medida de la impedancia de conjuntos de celdas o modulos de las batenas para reducir el tiempo empleado en la realizacion del mantenimiento pero sin perdida de seguridad y fiabilidad, y en donde ademas se tiene en cuenta la influencia de la temperatura.
Antecedentes de la invencion
Actualmente, el uso de batenas esta ampliamente extendido, utilizandose estas en innumerables aplicaciones y sectores de la tecnica en donde es necesario asegurar la operacion de equipos electricos cnticos, como pueden ser, por ejemplo, instalaciones industriales de generacion electrica, subestaciones para proteccion y control de seccionadores y reles, sistemas telefonicos, servicios de emergencia, aplicaciones industriales para proteccion y control, respaldo de computadoras o sistemas informaticos, etc.
Todos estos campos se refieren al uso de batenas en entornos estaticos, perfectamente controlados y en donde las variaciones de las condiciones de contorno son mmimas.
Sin embargo, existen campos en donde las condiciones de trabajo y la problematica asociada a dichas condiciones difieren sustancialmente de una aplicacion estacionaria, como sucede por ejemplo en el entorno ferroviario, en donde las batenas se utilizan para aportar la energfa de servicio minima necesaria ante un fallo en el funcionamiento de los equipos de alimentacion principales.
Actualmente, aunque son conocidas batenas especialmente disenadas para aplicaciones ferroviarias, no se conocen metodologfas de mantenimiento de dichas batenas que tengan en cuenta el particular entorno del trabajo ferroviario, por lo que el mantenimiento de las mismas se realiza de igual manera que para aquellas batenas instaladas en entornos mas estructurados en condiciones estacionarias o estaticas.
Sin embargo, en el entorno ferroviario existen una serie de condicionantes tan particulares que hacen que un mantenimiento de sus batenas basado en el que se utiliza en entornos estacionarios no sea la mas adecuada, ni en cuanto a la fiabilidad, ni a la seguridad, ni tampoco al coste desde el punto de vista del tiempo empleado en realizar dicho mantenimiento.
Asf, dichas condiciones particulares a tener en cuenta en los entornos ferroviarios y que difieren respecto a las de los entornos estaticos podnan resumirse en tres fundamentales:
- Existen diversidad de equipos. En una explotacion ferroviaria se cuenta con un parque de material movil muy extenso y de muy diferente tipologfa, lo que implica que el numero de batenas a mantener en optimas condiciones es muy elevado. Esta dificultad se ve incrementada en el caso de ferrocarriles metropolitanos, en donde el numero de vehnculos, y por lo tanto el de batenas a mantener, puede llegar a varios centenares. Esto no supone un problema solo desde el punto de vista numerico y por lo tanto desde el punto de vista del tiempo empleado en el mantenimiento, sino tambien desde el punto de vista del elevado numero de batenas diferentes empleadas.
- Condiciones ambientales. Las batenas ferroviarias no estan ubicadas en salas con condiciones de temperatura, humedad y suciedad controladas, sino que muy al contrario estan sometidas a los rigores de las condiciones ambientales externas, que pueden ser enormemente variables. Ademas, esta variacion termica puede ser a corto plazo a medida que el tren se desplaza en su recorrido, o a largo plazo, debido al paso de las estaciones (verano - invierno).
- Descargas profundas. Una de las funciones principales de cualquier batena es garantizar el suministro electrico cuando la fuente principal de energfa se interrumpe. En sistemas estacionarios de batenas la fuente principal de energfa suele ser la red electrica convencional, mientras que en el caso de los ferrocarriles, los equipos electronicos de potencia convierten la tension principal de alimentacion en otras tensiones que puedan ser utilizadas por los diferentes equipos del vehuculo. La fiabilidad de estos sistemas de alimentacion es menor que la de la red electrica si se miden por el tiempo medio entre fallos. Esta diferencia se acentua, ademas, si se consideran solo aquellas interrupciones de servicio de mas de 30 minutos. La consecuencia directa de esta particularidad es que el numero de descargas profundas de una batena ferroviaria es mucho mayor que la de una batena ubicada en un entorno estacionario, lo que afecta a la esperanza de vida de dicha batena y por lo tanto debe tenerse en cuenta en el plan de mantenimiento.
Estos condicionantes obligan a disenar planes de mantenimiento que minimicen las arduas tareas a realizar y el tiempo empleado, a la vez que se garantiza la vida de las batenas hasta el siguiente ciclo de mantenimiento
previsto, o al menos, proporcionar informacion que permita estimar la vida util remanente antes del fallo para tomar una actitud proactiva y de esa manera estar en condiciones de adelantarse a la avena.
Como ya se ha dicho, actualmente se emplean tecnicas de mantenimiento de batenas para el entorno ferroviario similares a las utilizadas en entornos estacionarios, como la medida de la impedancia interna, la cual se basa en medir la impedancia de cada celda individual de cada batena para de esa forma diagnosticar el estado en funcion de la dispersion que presentan los valores de impedancia de distintas celdas dentro de la misma batena. Es decir, el diagnostico se basa o fundamenta en una comparacion de todos los valores de impedancia de cada celda con la media. Un ejemplo de esto puede verse en el documento JP-A-2006292565.
Esta metodologfa, sin embargo, presenta una serie de limitaciones y carencias importantes cuando se aplica a las batenas del entorno ferroviario, como son las siguientes:
- El tiempo requerido para las operaciones es muy elevado, ya que es imprescindible medir individualmente todas las celdas de la batena, uno a uno. En batenas tipicamente ferroviarias con gran cantidad de celdas (una de 110 V tiene 52 celdas de Pb o 80 de Ni-Cd) el tiempo empleado para la medida completa es muy elevado. Si este elevado tiempo por cada batena se multiplica por el numero de batenas a mantener se obtiene un costo horario para las tareas de mantenimiento a todas luces excesivo.
- La ubicacion de las batenas en el entorno ferroviario es, a menudo, de diffcil acceso, lo que dificulta la medida de la impedancia, que debe tomarse en los terminales de cada celda. Esto afecta directamente a la seguridad, pues la toma de medidas obliga a descubrir las protecciones de dichos terminales, con el riesgo que esto supone de cortocircuitos accidentales debidos a cafdas de objetos metalicos sobre la batena, o lo que es mas grave, a contactos involuntarios del operario.
- Imposibilidad de establecer tendencias. Las tecnicas basadas en la medida de la impedancia diagnostican el estado de la batena comparando la impedancia de cada celda con la media del conjunto medido. Al ser esta una medida relativa, una celda puede ser util si se mide en el conjunto de una batena, pero inservible o defectuoso si se coloca en otra batena diferente. Esta relatividad impide asociar un estado de bueno o malo a cada celda individualmente, por lo que resulta imposible establecer una tendencia del deterioro de cada celda a lo largo del tiempo.
Descripcion de la invencion
El procedimiento de mantenimiento predictivo de batenas de la invencion que a continuacion se describe resuelve los inconvenientes antes senalados, pues proporciona un sistema seguro y fiable para el diagnostico del estado de batenas en entornos dinamicos como el ferroviario, en donde se tienen en cuenta aspectos que hacen variar la impedancia significativamente, como son tanto la influencia de la temperatura como el envejecimiento de dichas batenas.
De forma general, el procedimiento de la invencion se basa, principalmente, en una medida absoluta de la impedancia a nivel de modulo, es decir, en una medida de los conjuntos de celdas individuales, lo cual ya de por sf supone evidentes mejoras respecto de los actuales sistemas de medida de celdas, pues la reduccion de tiempo empleado en dicha medida es evidente al requerirse menos medidas, especialmente en los casos en los que dichas celdas se encuentran en lugares mas inaccesibles. Esta reduccion en el tiempo se ve ademas favorecida por el hecho de que no es necesario retirar las protecciones de los terminales.
La no necesidad de retirada de la proteccion de los terminales es debido a que, dado que los modulos se conectan en serie, los terminales de estas interconexiones entre modulos suelen estar accesibles. Esto implica que, ademas del ahorro de tiempo antes mencionado, se evitan los contactos de riesgo accidental, por lo que mejora la seguridad del operario. Asimismo, el hecho de no tener que acceder a las celdas situadas en los lugares mas inaccesibles redunda en una mejora en la ergonoirna del trabajo de medicion, evitando lesiones por posturas inadecuadas o sobreesfuerzos.
Por ultimo, dado que el procedimiento de la invencion se basa en la medida de valores absolutos de impedancia a nivel de modulo en lugar de hacerlo por comparacion de valores de celda con el de la batena completa, esto hace que el valor obtenido sea independiente al de los otros modulos, lo que abre la puerta a realizar estudios de tendencia y asf poder implantar un plan de mantenimiento predictivo.
De cara a que, como ya se ha dicho, en la medida efectuada en cada modulo sean tenidos en cuenta tanto el efecto de la temperatura como el del tiempo que lleva en funcionamiento la batena, se aplican sendos algoritmos de correccion de dicha medida, algoritmos que son calculados previamente en base a una muestra suficientemente representativa de batenas del mismo modelo.
Mas concretamente, se calcula un primer algoritmo de correccion de la impedancia con la temperatura, seguido de un segundo algoritmo, denominado de contraste, aplicado a dicha impedancia corregida con el fin de tener en cuenta el efecto que el envejecimiento de las batenas tiene sobre la impedancia.
La obtencion del algoritmo de correccion de la impedancia con la temperatura se basa en el hecho de que, independientemente del tipo de batena, la impedancia interna decrece al aumentar la temperatura, siendo dicha
variation practicamente lineal.
La obtencion de este algoritmo comprende las siguientes etapas:
- Medicion de la impedancia de varios modulos de baterias del mismo modelo en distinto estado de ciclo de vida, espedficamente en el estado inicial, al final de su vida util y en uno o varios estados intermedios.
- Efectuar medidas de la impedancia de cada modulo a diferentes temperaturas.
- Obtencion, para cada uno de los modulos, de la familia de rectas de la impedancia en funcion de la temperatura, de la forma:
Z = mi • T ai (a)
- Obtencion, para cada modulo y temperatura a la que se han tomado medidas, de parejas de valores que definen un conjunto de rectas que relacionan la impedancia Z y la pendiente mi para cada valor de Tj, de la forma:
Z = bj • m k (b)
- Obtencion del valor de bj, que varia notablemente con cada valor de j, al contrario que k, cuyo valor es muy similar para cada valor de j, ya que en condiciones ideales (m=0) la impedancia no se ve modificada para la temperatura, luego para cualquier T el valor de Z es el mismo, k. Dicha obtencion del valor de bj, en funcion de T, consiste en tomar el conjunto de valores bj engendrada por cada Tj como una variacion lineal del tipo:
bj = a- T p (c)
donde bj es la pendiente de las rectas (m,Z) obtenidas para cada valor de temperatura.
A continuation, para cada valor de T fijado, se determina el valor de b y se calcula la recta que une estos puntos, obteniendose los valores a y p.
- Obtencion de la expresion de la compensation a aplicar uniendo las expresiones (b) y (c), de la forma:
Como ya se ha puesto de manifiesto, dado que la impedancia decrece con la temperatura, el valor de m es negativo, hecho que es aprovechado en la obtencion del segundo algoritmo de correction, el de contraste de dicha impedancia en funcion del estado del punto del ciclo de vida en el que se encuentra la bateria.
Asf una vez hallada esta expresion, se esta ya en condiciones de referenciar cualquier medida de impedancia efectuada por el operario en los modulos a una temperatura dada, obteniendose asi la impedancia corregida Z* con la temperatura, y que no es otra cosa que el valor que se habria medido en una bateria si esta se encontrara a una temperatura de referencia To en lugar de a la temperatura real T a la que estaba cuando se realizo la medida.
Dicho de otra forma, el algoritmo de correccion de la impedancia con la temperatura relaciona las medidas de impedancia tomadas por el operario en cada modulo, a diferentes temperaturas segun la ocasion, con el valor teorico de impedancia que se hubiese medido si en ese momento la temperatura fuese igual a la de referencia To. Dicha temperatura de referencia podra ser cualquiera, con tal de que a lo largo de toda la vida del procedimiento de diagnostico sea la misma, valor que puede ser fijado a priori, por ejemplo, por la persona que aplique el procedimiento de la invention.
Asf para la obtencion final del valor de la impedancia corregida Z a las etapas anteriores deberian de sumarse las siguientes:
- Fijacion de una temperatura arbitraria.
- Toma de muestras o medida de la impedancia de un modulo.
- Medicion de la temperatura T en los terminales del modulo del cual se acaba de medir la impedancia.
- Introduction de los valores de Z y T medidos experim enta lise en la expresion (d) para obtener la correccion en (mO/°C) que hay que aplicar y asi obtener Z*, donde dicha Z* viene dada por la expresion:
Z* = Z -m ( T -To) (e)
Y por lo tanto, despejando m y sustituyendo en (d) se tiene que:
A continuacion, una vez calculados los valores corregidos de impedancia a traves del algoritmo de correccion de la impedancia con la temperatura antes descrito, sobre ellos se aplica, como ya se ha dicho, un segundo algoritmo, denominado de contraste, a la impedancia corregida con el fin de tener en cuenta el efecto que el envejecimiento de las batenas tiene en la impedancia.
Este algoritmo de contraste esta basado en procedimientos estadfsticos, es decir, se trata de un algoritmo estadfstico que garantice que la probabilidad de dar por mala una batena buena este siempre acotada superiormente, o en otras palabras, un algoritmo mediante el cual se puede definir de antemano que porcentaje de batenas buenas se van a dar por malas, de cara a que la probabilidad de dar por buena una batena mala sea despreciable. Dicha probabilidad es por lo tanto susceptible de ser fijada de antemano de acuerdo con los requisitos espedficos de cada mantenimiento con el fin de fijar unos valores “pasa - no pasa” o “apta - no apta” del criterio de diagnosis.
La obtencion de este algoritmo de contraste comprende las siguientes etapas:
- Medicion de la impedancia de una cantidad representativa de modulos en servicio del mismo tipo y modelo, aplicando el algoritmo de correccion de la impedancia segun la temperatura de las etapas anteriores.
Para facilitar el trabajo, conviene transformar la impedancia corregida Z* en una nueva variable X que siga una distribucion normal, segun cualquier procedimiento de transformacion estadfstico conocido.
- Obtencion de la distribucion normal de la variable transformada X.
- Se calculan los estimadores de maxima verosimilitud de la distribucion de la variable X con el fin de tener perfectamente caracterizada la distribucion de valores para modulos de batena utiles del modelo estudiado. - A continuacion se fija el lfmite superior del intervalo de confianza para la variable X a partir de los estimadores de maxima verosimilitud, el cual nos dara el lfmite superior a partir del cual el modulo no se considera apto.
- Posteriormente, se transforman los lfmites del intervalo de confianza para la variable X en la variable Z*, mediante la transformada inversa correspondiente.
- Por ultimo, la diagnosis de “util - no util” del modulo se realiza comparando los valores de impedancia corregida Z* obtenidos anteriormente con el lfmite superior del intervalo de confianza antes definido de forma que si el valor medido es mayor que el valor lfmite, la batena habra agotado su vida util y el riesgo de fallo es alto, y por lo tanto es necesario proceder a su sustitucion.
Descripcion de los dibujos
Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caractensticas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo preferente de realizacion practica de la misma, 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:
la Figura 1 muestra una grafica de la relacion entre la impedancia Z y la temperatura T para un ejemplo de realizacion de la presente invencion.
la Figura 2 muestra una grafica de la familia de rectas que se obtiene de la relacion entre la impedancia Z y la temperatura T de la grafica anterior.
la Figura 3 muestra una grafica de la familia de rectas que se obtiene de relacionar la impedancia Z y la pendiente m de las rectas de la figura anterior para cada valor de T.
la Figura 4 muestra una grafica de la recta que representa el valor de la pendiente de las rectas (m, Z) de las graficas anteriores obtenidas para cada valor de T.
la Figura 5 muestra una grafica que relaciona la tension en descarga y la tension en vacfo durante ciertos intervalos de tiempo.
la Figura 6 muestra, finalmente, un diagrama de flujo de los pasos del procedimiento de la invencion para un ejemplo de realizacion concreta.
Realizacion preferente de la invencion
Segun una posible realizacion practica del procedimiento de diagnostico de batenas de la invencion, el primer paso, previo al de la toma de mediciones de impedancias de los modulos de las batenas objeto del estudio sena el de calcular el algoritmo de correccion de la impedancia con la temperatura, segun los siguientes pasos:
- En primer lugar, se procede a la medicion de la impedancia de, por ejemplo, 4 modulos, uno nuevo, uno al final de su vida util y dos modulos averiados. Dichos modulos se eligen averiados ya que la magnitud de la correccion depende del estado del modulo, por lo que cuanto peor es el estado, mayor es la magnitud de la correccion. El caso lfmite se encuentra cuando el modulo esta averiado y sin posibilidad de recuperacion, siendo necesaria su sustitucion. Este caso lfmite indicara el maximo valor de la correccion, informacion muy util para la determinacion de dicha correccion.
- Se efectuan medidas de la impedancia de cada modulo a diferentes temperaturas, por ejemplo entre 5 y 35 ° C en intervalos de 5°C.
- En una camara climatica se somete a cada uno de los cuatro modulos a ciclos termicos identicos, comenzando
por la temperatura mas baja, la cual se alcanza en un mmimo de 18 horas, reprogramando dicha camara en intervalos de 5 grados y esperando al menos 6 horas para estabilizar la temperatura de cada modulo y asi vencer la inercia termica de los mismos, midiendose los valores de la impedancia de modulo en cada uno de esos intervalos, lo que da como resultado una grafica de la impedancia en relacion con la temperatura como la de la figura 1.
- En el siguiente paso se obtiene, segun puede verse en la figura 2, la familia de rectas de la impedancia en funcion de la temperatura, que responde a la ecuacion:
Z = mi • T ai (a)
- Obtencion, para cada modulo y temperatura a la que se han tomado medidas, de parejas de valores que definen un conjunto de rectas segun la grafica representada en la figura 3, en donde se relacionan la impedancia Z y la pendiente mi para cada valor de Tj , que responden a la formula:
Z = bj • m k (b)
- Obtencion del valor de bj en funcion de T, lo cual consiste en tomar el conjunto de valores bj engendrada por cada Tj como una variation lineal del tipo:
bj = a- T p (c)
la cual se representa en la figura 4 como una recta que responde a dicha ecuacion.
- A continuation, se obtendria la expresion de la compensation a aplicar uniendo las expresiones (b) y (c), de la forma:
y que para el valor de k del ejemplo de realization, que conceptualmente es la impedancia que deberia tener un modulo para que fuera insensible a variaciones de temperatura, arroja el valor de 5,53, comun a todas las rectas que se observan en la figura 3, por lo que se tiene que:
Z = (bj m) 5,53
y del paso representado por la grafica de la figura 4:
b = T -67,15
donde el valor de 67,15 se ha obtenido al calcular los valores de a y p para la recta de regresion de la expresion (c), que para este caso concreto son del a= 1 y pn= -67,15
sustituyendo en (d) se obtiene que:
m (mQ / °C) = (Z - 5,53) / (T - 67,15)
Asf una vez hallada esta expresion se pueden referenciar las medidas de impedancia efectuadas por el operario en los modulos a una temperatura dada, obteniendose la impedancia corregida Z* con la temperatura para cada valor. Dicha temperatura podra ser, por ejemplo, de 20°C, por lo que para obtener el resultado de la impedancia corregida Z* bastara con substituir los valores de Z y T medidos y dicha temperatura de referencia en la expresion (f):
A continuacion, se aplica el segundo algoritmo, denominado de contraste, a dicha impedancia corregida con el fin de tener en cuenta el efecto que el envejecimiento de las baterias tiene en la impedancia, y que para un ejemplo del procedimiento de la invention constaria de las siguientes etapas:
- Medicion de la impedancia, preferentemente de mas de 80 modulos para asegurar una distribution lo suficientemente precisa, es decir, lo mas representativa de la realidad posible, y que para el presente ejemplo se toma sobre 496 modulos nuevos y 424 modulos ya en servicio.
Es preciso obtener la distribucion para modulos nuevos y modulos utiles, ya que la impedancia tiende a aumentar a lo largo del tiempo. Asf mientras la distribucion de modulos nuevos responde bastante bien a una distribucion normal porque todos los modulos medidos tienen el mismo tiempo de uso, es decir, cero o nada, cuando se trata de la distribucion de modulos utiles el tiempo de servicio de cada modulo es heterogeneo, pudiendo encontrarse
modulos con mucho tiempo de servicio y por ende con valores de impedancia elevados. Esto genera una asimetna en la distribucion, con una cola hacia valores mayores.
- Desechando los datos atipicos, es decir, aquellos fuera del intervalo J - 2.5 s, j 2.5 s] segun la acotacion de Tchebychev, la cual es utilizada para conocer cual es el porcentaje de datos que estan en el rango [j -ka, j ka] siendo j la media muestral y s la desviacion tipica de la muestra, se tiene que:
Como ya se explico en la descripcion de la invencion, de cara a facilitar el trabajo, se transformaba la impedancia corregida Z* en una nueva variable X que siguiera una distribucion normal, para lo que en el ejemplo de realizacion de la invencion se utiliza la denominada transformacion Box Cox, la cual consiste en definir dicha variable X como :
calculando posteriormente para los modulos utiles el estimador de maxima verosimilitud de dicho parametro X, es decir, aquel valor de X que hace maxima la funcion soporte L(A).
Siendo la funcion soporte L(A) (o logaritmo de la verosimilitud) en funcion del parametro A:
en donde:
donde Z es la impedancia corregida y W es la media geometrica detodas las medidas de Z,
promedio de todos los y
As^ para el presente ejemplo de realizacion practica se obtiene un valor de A = -2,615, con el cual la variable X se distribuye como una Normal de media 0,3815 y desviacion tfpica 0,00028.
A continuacion, se fija un intervalo de confianza para X con un nivel de significacion de 0,90, lo que supone que la probabilidad de que un valor mayor al lmite superior pertenezca realmente a la distribucion de modulos utiles es del 10% (1 -0,90 = 0,10).
Dicho valor, aunque fijado arbitrariamente, debera ser lo suficientemente alto para no descartar excesivos modulos utiles, pero no demasiado alto porque entonces podna “colarse” como bueno algun modulo con vida util agotada. El valor elegido para el ejemplo es perfectamente asumible desde el punto de vista de desmontajes innecesarios, y ademas reduce a valores muy bajos la posibilidad de dar por bueno un modulo util.
Asf, para el ejemplo considerado dicho valor de confianza arroja un valor cntico de 0,38186 para la variable X. Aplicando entonces la transformada inversa correspondiente:
para este caso concreto se obtiene un valor cntico para Z* de:
de tal forma que si el valor medido es mayor que el valor lfmite (Z*=12,24), la batena habra agotado su vida util y el riesgo de fallo es alto y por lo tanto es necesario proceder a su sustitucion.
Por ultimo, existe un caso en el que el procedimiento anteriormente descrito no es capaz de detectar el fallo en la batena, que es cuando se produce un cortocircuito interno entre algunas de las placas que forman parte de cada celda del modulo.
Esto presenta un problema pues, si bien lo habitual es que la impedancia aumente a medida que el estado de la batena empeora, en esos casos se produce todo lo contrario, es decir, un descenso de la impedancia.
Sin embargo, esta disminucion de la impedancia viene emparejada con una disminucion en la tension de la celda afectado, que puede alcanzar valores practicamente nulos dependiendo de la severidad del cortocircuito.
Esta disminucion de tension, no obstante, es discriminable y por lo tanto detectable segun lo siguiente:
Para batenas de plomo, el fabricante da una tension lfmite de 1,7 V/celda correspondiente a la maxima descarga posible sin consecuencias irreversibles para la vida de la batena. En un modulo de 6 celdas, esta tension equivale a: 1,7 x 6 = 10,2 V, tension que debe medirse mientras la batena se esta descargando, es decir, mientras esta entregando corriente durante su funcionamiento.
En el ambito ferroviario, solo podra medirse la tension de cada modulo una vez que haya entrado en el taller de reparacion, es decir, con la batena en vado (sin entregar ninguna corriente).
Experimentalmente se ha comprobado que si una batena se esta descargando y se interrumpe la descarga, la tension comienza a recuperarse aunque no se este recargando la batena, es decir, que la tension que da el fabricante no es valida cuando se mide la batena en vado.
Se hace necesario, por tanto, encontrar una relacion entre la tension medida con batena en descarga y la medida con la batena en vado.
Para ello se procede a la descarga de un modulo cargado a traves de una resistencia, a una corriente de descarga de aproximadamente 1,35 C5 (Donde C5 es una nomenclatura estandar; significa cual es el valor necesario de corriente para descargar una batena en 5 horas que este totalmente cargada. Por ejemplo, para una batena de 120 Ah, C5 equivaldna a 24 A)
A continuacion se mide la tension durante la descarga y cada cierto intervalo de tiempo se detiene la descarga, se deja reposar la batena 5 minutos y se toma una medida de tension (ahora con la batena en vado). Tras esta medida se reanuda la descarga, todo ello segun puede apreciarse en la figura 5, en donde puede apreciarse un buen ajuste mediante una curva de segundo grado.
En dicha grafica, el ultimo punto tomado (a 10,02 V durante la descarga) esta en el lfmite de lo que puede entregar la batena, deteniendo el ensayo en ese punto debido a que es aquel en el que la tension empezo a caer bruscamente, smtoma inequvoco del agotamiento de la batena.
Es decir, que el lfmite teorico de maxima descarga dado por el fabricante coincide con el experimento realizado, y lo que es mas importante, determinandose cual sena el valor de esta tension lfmite si se hubiera medido en vado. Asf, con este ensayo se determina que una batena util, aunque este descargada, siempre tendra valores de tension superiores a 11,5 V cuando se mida en vado, obteniendose dicho valor de 11,5 v al introducir el valor teorico 10,2 que da el fabricante en la expresion de la curva de regresion mostrada en el grafico de dicha figura 5.
El modo de fallo descrito anteriormente (cortocircuito interno de algunas placas) anula practicamente la tension de una celda, por lo que la tension en vado de un modulo con este problema pero que tuviese las 5 celdas en buen estado sena:
La suma de la tension en vado (2,1 V para batenas de plomo) de las cinco celdas que estan bien => 5 x 2,1 = 10,5 V, mas la tension residual que pueda quedar en la celda afectada (en cualquier caso menor que 1 V), por lo que la tension de un modulo que sufra este modo de fallo sera siempre < 11,5 V, por muy buen estado que presenten las cinco celdas no afectados.
De esta forma, se ha obtenido un criterio de diagnosis aplicable al procedimiento de la invencion y que permite determinar si se ha producido ese tipo de fallo, concretamente, para el caso practico del ejemplo, si la tension en vado del modulo es inferior a 11,5 voltios, el modulo no es util para ser utilizado.
Por ultimo, en la figura 6 se muestra un diagrama de flujo esquematico de todo el procedimiento de diagnostico de la invencion en el cual tambien se ha tenido en cuenta la eventualidad antes descrita, es decir, que se haya producido un fallo debido a un cortocircuito.
Claims (7)
1. - Procedimiento de diagnostico de batenas, caracterizado porque comprende los pasos de:
- medicion de la tension de un modulo que comprende un grupo de celdas individuals para comprobar si se ha producido un cortocircuito interno entre cualquiera de las placas que forman parte de cada celda del modulo por lo que dicho modulo puede ser descartado por defectuoso;
- en caso de que el modulo no sea defectuoso, medicion de la impedancia del modulo;
- correccion del valor de impedancia del modulo mediante la aplicacion de un algoritmo de correccion para corregir dicha impedancia con la temperatura; y
- aplicacion de un segundo algoritmo a la impedancia corregida mediante el paso anterior de forma que se tenga en cuenta el efecto que en dicha impedancia corregida tiene el envejecimiento de las batenas; y comparacion del valor de la impedancia corregida teniendo en cuenta la temperatura y el envejecimiento de la batena anteriormente obtenidos en los pasos previos con un lfmite superior y realizacion del diagnostico de “util - no util” segun si dicho valor de la impedancia es mayor o no que el lfmite superior mencionado.
2. Procedimiento de diagnostico de batenas segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el algoritmo de correccion para correccion de la impedancia con la temperatura comprende los pasos de:
- medicion de la impedancia de varios modulos de batenas del mismo modelo en distinto estado de ciclo de vida; - medicion de la impedancia de cada modulo a diferentes temperaturas;
- obtencion, para cada uno de los modulos, de la familia de rectas de la impedancia en funcion de la temperatura, segun:
Z = mi ■ T ai (a) ;
donde
Z= impedancia; T= temperatura; mi = pendiente para cada valorj de T
- obtencion del conjunto de rectas que relacionan la impedancia Z y la pendiente mi para cada valor de Tj , segun:
Z = bj ■ m k (b) ;
donde
bj= es la pendiente de las lmeas rectas (m,Z) obtenidas para cada valor de temperatura
- obtencion del valor de bj , consistente en tomar el conjunto de valores bj engendrada por cada Tj como una variacion lineal segun:
bj = a- T p (c) ;
- determinacion, para cada valor de T fijado, del valor de b y obtencion de los valores a y p; y
- obtencion de la expresion de la compensacion a aplicar uniendo las expresiones (b) y (c), segun:
3. Procedimiento de diagnostico de batenas segun la reivindicacion 2, caracterizado porque los diferentes estados de ciclos de vida en los que se realiza la medicion de la impedancia comprenden el estado inicial, el final de su vida util y uno o varios estados intermedios.
4. Procedimiento de diagnostico de batenas segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la obtencion de la impedancia corregida comprende las etapas de:
- fijacion de una temperatura arbitraria;
- toma de muestras o medida de la impedancia de un modulo;
- medicion de la temperatura T en los terminales del modulo del cual se acaba de medir la impedancia Z;
- aplicacion del algoritmo de correccion para correccion de la impedancia con la temperatura a los valores de Z y T medidos experimentalmente para obtener la correccion Z* en (mQ/0C) segun:
Z* = Z - m ( T - To) (e) ;
donde To= Temperatura de referencia
- obtencion por sustitucion en (d) de:
donde Z = impedancia corregida
5. - Procedimiento de diagnostico de baterias segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo algoritmo, aplicado a la impedancia corregida, comprende los pasos de:
- medicion de la impedancia de una cantidad representativa de modulos en servicio del mismo tipo y modelo, aplicando el algoritmo de correction para correction de la impedancia;
- transformation de la impedancia corregida Z* en una variable X que siga una distribution normal;
- obtencion de la distribucion normal de la variable transformada X;
- calculo de los estimadores de maxima verosimilitud de la distribucion de la variable X;
- fijacion del Kmite superior del intervalo de confianza para la variable X a partir de los estimadores de maxima verosimilitud,
- transformacion de los Kmites del intervalo de confianza para la variable X en la variable Z*, mediante la transformada inversa correspondiente; y
- comparacion de los valores de impedancia corregida Z* obtenidos anteriormente con el Kmite superior del intervalo de confianza y realizar la diagnosis de “util - no util” en funcion de si dicho valor medido es o no mayor que el mencionado limite superior.
6. Procedimiento de diagnostico de baterias segun la reivindicacion 5, caracterizado porque el procedimiento de transformacion estadistico para la transformacion de la impedancia corregida Z* en una variable X que siga una distribucion normal, es la transformacion Box Cox.
7. Procedimiento de diagnostico de baterias segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la comprobacion de si se ha producido un cortocircuito interno entre alguna de las placas que forman parte de cada celda del modulo comprende calcular la relation entre la tension medida con bateria en descarga y la medida con bateria en vado de forma que si la tension medida en el modulo de la bateria en vado es inferior a un valor calculado dicho modulo puede ser descartado por defectuoso.
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