ES2856686T3 - Sistemas y métodos para cargar rápidamente baterías a bajas temperaturas - Google Patents

Sistemas y métodos para cargar rápidamente baterías a bajas temperaturas Download PDF

Info

Publication number
ES2856686T3
ES2856686T3 ES15826723T ES15826723T ES2856686T3 ES 2856686 T3 ES2856686 T3 ES 2856686T3 ES 15826723 T ES15826723 T ES 15826723T ES 15826723 T ES15826723 T ES 15826723T ES 2856686 T3 ES2856686 T3 ES 2856686T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
battery
charging
terminal
temperature
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES15826723T
Other languages
English (en)
Inventor
Chao-Yang Wang
Yan Ji
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EC Power LLC
Original Assignee
EC Power LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EC Power LLC filed Critical EC Power LLC
Application granted granted Critical
Publication of ES2856686T3 publication Critical patent/ES2856686T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/24—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries for controlling the temperature of batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/443—Methods for charging or discharging in response to temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/007188—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters
    • H02J7/007192—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature
    • H02J7/007194—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature of the battery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/545—Temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/91—Electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/92—Hybrid vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00—Special features of vehicle units
    • B60Y2400/30—Sensors
    • B60Y2400/302—Temperature sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00—Special features of vehicle units
    • B60Y2400/30—Sensors
    • B60Y2400/308—Electric sensors
    • B60Y2400/3084—Electric currents sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00—Special features of vehicle units
    • B60Y2400/30—Sensors
    • B60Y2400/308—Electric sensors
    • B60Y2400/3086—Electric voltages sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/48—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Un sistema (600A, 600B) de control de carga para cargar una batería recargable modulada óhmicamente (601, 1401) que comprende: una batería modulada óhmicamente (601, 1401) que comprende al menos un terminal negativo (120, 122) y al menos un terminal positivo (126) para hacer funcionar la batería (601, 1401) a un nivel de resistencia bajo, y al menos un terminal (122, 123, 125) de alta resistencia conectado eléctricamente a al menos una hoja (112, 113, 212) de resistor dentro de una célula (213a, 213b) de la batería (601, 1401) o entre las células (213a, 213b) de la batería (601, 1401) para hacer funcionar la batería (601, 1401) a un nivel de resistencia alto, un sensor (608, 1408) de temperatura configurado para monitorear la temperatura de la batería (601, 1401); un conmutador (124, 224) que puede aplicar eléctricamente la batería (601, 1401) a una fuente de corriente eléctrica a través de un terminal (121) de baja resistencia o al menos dicho terminal (122, 123, 125) de alta resistencia de la batería (601, 1401); y un controlador (604, 1404) conectado eléctricamente al sensor (608, 1408) de temperatura y al conmutador (124, 224) y que puede recibir la entrada del sensor (608, 1408) de temperatura y está programado para determinar si se debe aplicar eléctricamente la batería (601, 1401) a la fuente de corriente eléctrica a través del terminal (121) de baja resistencia o el terminal (122, 123, 125) de alta resistencia a través del conmutador (124, 224) basándose en la entrada del sensor (608, 1408) de temperatura, caracterizado porque al menos dicha hoja de resistor incluye dos pestañas (112a, 112b) con una pestaña conectada eléctricamente a al menos dicho terminal de alta resistencia y la otra pestaña conectada eléctricamente a al menos dicho terminal negativo o a al menos dicho terminal positivo.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistemas y métodos para cargar rápidamente baterías a bajas temperaturas
Referencia cruzada a la aplicación relacionada
Campo técnico
La presente invención se refiere en general a sistemas y métodos para cargar baterías a bajas temperaturas y, en particular, a cargar rápidamente baterías por debajo de las temperaturas de funcionamiento normales de las baterías.
Antecedentes
Las baterías recargables para la electrónica, el transporte y el almacenamiento de energía de la red comúnmente tienen una mala aceptación de carga y sufren un tiempo de carga excesivamente largo, especialmente a temperaturas bajo cero, debido a la lenta cinética electroquímica y los procesos de transporte que ocurren en la célula de la batería. La carga de las baterías a un ritmo razonable en climas fríos es imposible de realizar o la vida útil de la batería se reduce mucho. Por ejemplo, el mayor problema para cargar baterías de iones de litio a bajas temperaturas es el revestimiento de litio en el ánodo grafítico. El litio depositado reacciona rápidamente con el electrolito provocando una pérdida de capacidad irreversible. Además, el litio metálico crece en forma de dendrita, creando la posibilidad de penetrar en el separador y cortocircuitar la célula internamente. Para evitar el revestimiento de litio, las baterías de iones de litio se cargan a una velocidad muy baja (C/10 o menos) a bajas temperaturas, lo que requiere una gran cantidad de tiempo para cargarse por completo.
El largo tiempo de carga supone una gran desventaja para las soluciones de almacenamiento de energía, especialmente los vehículos eléctricos (EV). En comparación con los vehículos tradicionales que funcionan con gasolina, cuyo tanque de combustible se puede llenar en menos de cinco minutos en todas las condiciones, los vehículos eléctricos requieren horas para recargarse por completo en climas fríos. La carga rápida es esencial para habilitar estaciones de carga públicas y vehículos eléctricos que funcionan con baterías.
Debido a la alta sensibilidad de la aceptación de la carga de la batería a la temperatura, el tiempo de carga se puede reducir calentando las baterías recargables a un rango cercano a la temperatura ambiente adecuada para una carga rápida. Los sistemas convencionales de calentamiento de baterías, sin embargo, calientan la batería externamente usando calentamiento por convección de aire/líquido o camisas térmicas, donde el calor se propaga lentamente desde el exterior hacia la interfaz de reacción electroquímica dentro de la batería. Tales procesos sufren un largo tiempo de calentamiento y una pérdida significativa de calor al entorno.
En consecuencia, existe una necesidad continua de reducir el tiempo de carga de una batería recargable sin afectar negativamente a la batería.
El documento JP2010205710 divulga un dispositivo para ajustar la temperatura de la batería montada, por ejemplo, en un vehículo híbrido, tiene unidad de control que conmuta los terminales de electrodo de electrodo positivo y electrodo negativo proporcionados en la batería basándose en la temperatura de la batería.
Sumario de la divulgación
Una ventaja de la presente divulgación es un sistema de control de carga para cargar una batería recargable modulada óhmicamente y métodos para su funcionamiento. Tal sistema puede incluirse en un vehículo accionado eléctricamente, por ejemplo, un vehículo eléctrico (EV), un vehículo eléctrico híbrido (HEV) y un vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHeV).
Estas y otras ventajas se satisfacen, al menos en parte, mediante un sistema de control de carga para cargar una batería recargable modulada óhmicamente que comprende: un sensor de temperatura configurado para monitorear la temperatura de la batería; un conmutador que puede aplicar eléctricamente la batería a una fuente de corriente eléctrica a través de un terminal de baja resistencia o un terminal de alta resistencia de la batería, o ambos; y un controlador conectado eléctricamente al sensor de temperatura y al conmutador y que puede recibir la entrada del sensor de temperatura y está programado para determinar si aplicar eléctricamente la batería a la fuente de corriente eléctrica a través del terminal de baja resistencia o del terminal de alta resistencia a través del conmutador basándose en la entrada del sensor de temperatura. El sistema puede incluir componentes adicionales, individualmente o en combinación, como uno o más de un sensor de corriente conectado eléctricamente a la batería y capaz de medir la corriente que fluye a través de la batería y/o uno o más sensores de voltaje como un sensor de voltaje conectado eléctricamente al terminal de baja resistencia de la batería; y un sensor de voltaje conectado eléctricamente al voltaje de terminal de alta resistencia de la batería. Con los sensores adicionales, el controlador puede recibir entradas de los sensores adicionales y está programado para determinar si aplicar eléctricamente la batería a la fuente de corriente eléctrica a través del terminal de baja resistencia o el terminal de alta resistencia a través del conmutador basándose en entradas de algunos o todos los sensores. El sistema también puede incluir un generador conectado eléctricamente a la batería y capaz de cargar la batería. El generador se puede usar para capturar energía cinética, como en el frenado regenerativo de vehículos, y cargar la batería con tal energía.
Otro aspecto de la presente divulgación incluye un método para cargar una batería recargable modulada óhmicamente. El método comprende: cargar la batería con un protocolo de carga de baja temperatura (LTCP) cuando la batería está en un modo de alta resistencia; y cargar la batería con un segundo protocolo cuando la batería está en un modo de baja resistencia.
Las realizaciones de los LTCP incluyen cargar la batería con voltaje constante y/o a una corriente constante (I) y/o a una potencia de carga constante (P) y combinaciones de los mismos. En una realización de la presente divulgación, el LTCP incluye: (i) cargar la batería a un voltaje constante o una potencia de carga constante (P); y (ii) seguido de la carga de la batería a una corriente constante. La carga de la batería a la corriente constante puede ocurrir cuando la corriente de carga alcanza o excede una corriente de carga máxima predeterminada (Imax). Además, el voltaje constante se puede determinar a partir del voltaje de terminal de baja resistencia Vl0r y/o el voltaje de la batería. El LTCP también puede incluir cargar la batería con un voltaje de pulso y/o potencia de pulso y/o corriente de pulso y combinaciones de los mismos. Los LTCP pueden incluir además cargar la batería en el modo de alta resistencia cuando la temperatura de la batería está por debajo de un nivel predeterminado Tcg1, por ejemplo, donde Tcg1 es un valor entre 5 °C y 25 °C, y cargando la batería en el modo de baja resistencia cuando la temperatura de la batería es igual o superior a Tcg1.
Las realizaciones de cargar la batería con el segundo protocolo, es decir, en el modo de baja resistencia, incluyen cargar la batería con un protocolo de voltaje constante de corriente constante, donde la corriente constante es aproximadamente 1C o más alta y el voltaje constante es aproximadamente Vestablecido, donde Vestablecido es un voltaje predeterminado. Ventajosamente, el protocolo puede incluir cargar la batería en el modo de baja resistencia cuando la temperatura de la batería es igual o superior a un nivel predeterminado Tcg1, por ejemplo, en el que Tcg1 es un valor entre 5 °C y 25 °C.
Otro aspecto de la presente divulgación incluye un método para cargar una batería recargable modulada óhmicamente con energía regenerativa, comprendiendo el método: cargar la batería con un protocolo de carga regenerativa (RCP) cuando la batería está en un modo de alta resistencia, por ejemplo, cuando la temperatura de la batería está por debajo de un valor de carga predeterminado (Tcg1); y cargar la batería con un segundo protocolo cuando la batería está en un modo de baja resistencia, por ejemplo, cuando la temperatura de la batería está por encima de Tcg1. Ventajosamente, la corriente aplicada para cargar la batería con RCP o el segundo protocolo se convierte a partir de energía cinética.
Las realizaciones del RCP incluyen cargar la batería aplicando una corriente de carga a la batería en forma controlada por voltaje o en forma controlada por potencia P o en forma controlada por corriente o combinaciones de las mismas. La forma controlada por voltaje, la forma controlada por potencia P y la forma controlada por corriente pueden ser un valor constante o una función del tiempo. En una realización de la presente divulgación, el RCP incluye (i) cargar la batería aplicando una corriente de carga a la batería en forma controlada por voltaje o en forma controlada por potencia P, (ii) seguido por cargar la batería a una corriente constante; en el que la forma controlada por voltaje se determina en el voltaje de terminal de baja resistencia VLoR(t) de la batería o en el voltaje de la batería V (t). La carga con el segundo protocolo cuando la batería está en el modo de baja resistencia puede incluir un protocolo de voltaje constante-corriente constante, por ejemplo. Los RCP pueden incluir además cargar la batería en el modo de alta resistencia cuando la temperatura de la batería está por debajo de un nivel predeterminado Tcg1, por ejemplo, donde Tcg1 es un valor entre 5 °C y 25 °C, y cargar la batería en el modo de baja resistencia cuando la temperatura de la batería es igual o superior a Tcg1.
Las ventajas adicionales de la presente invención resultarán fácilmente evidentes para los expertos en esta técnica a partir de la siguiente descripción detallada, en la que solo se muestra y describe la realización preferida de la invención, simplemente a modo de ilustración del mejor modo contemplado para llevar a cabo la invención. Como se verá, la invención puede tener otras y diferentes realizaciones, y sus diversos detalles pueden modificarse en varios aspectos obvios, todo ello sin apartarse de la invención. En consecuencia, los dibujos y la descripción han de considerarse de naturaleza ilustrativa y no restrictiva.
Breve descripción de los dibujos
Se hace referencia a los dibujos adjuntos, en los que los elementos que tienen las mismas designaciones numéricas de referencia representan elementos similares en todas partes y en los que:
La figura 1A es un esquema que muestra la construcción de una batería modulada óhmicamente que tiene varias hojas/láminas de resistor incrustadas dentro de una pila de conjuntos de electrodo-separador, un terminal negativo de alta resistencia HiR(-) y un terminal negativo de baja resistencia LoR(-), un terminal positivo (+) y un conmutador activado térmicamente que conecta los terminales HiR(-) y LoR(-), de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 1B es un esquema de una batería modulada óhmicamente de tres terminales en una configuración prismática de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 1C es un esquema de una batería modulada óhmicamente de cuatro terminales en la que dos pestañas de una hoja de resistor forman dos terminales HiR(-) independientemente del terminal LoR(-), de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 2 es un esquema que muestra la construcción de un módulo de batería de dos células con una hoja/lámina de resistor entre las dos células, es decir, fuera de la carcasa de cada célula sin contacto directo con el electrolito de la batería de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 3A es un diagrama de circuito que representa un sistema de control de carga de batería, de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 3B es otro diagrama de circuito que representa un sistema de control de carga de batería, de acuerdo con otra realización de la presente divulgación.
La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un método para cargar la OMB usando un sistema de control de carga de batería de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un método (CVlor-CC) para la carga a baja temperatura de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra un método (CV-CC) para la carga a baja temperatura de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra un método (CC) para la carga a baja temperatura de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra un método (CP-CC) para la carga a baja temperatura de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra un método (PV) para la carga a baja temperatura de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 10 es un diagrama de flujo que ilustra un método (PC) para la carga a baja temperatura de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 11 es un diagrama que representa un sistema de carga regenerativo, de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 12 es un diagrama de flujo que ilustra un método para la carga regenerativa de OMB usando un sistema de carga regenerativa, de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 13 es un diagrama de flujo que ilustra un método (VLoR-CC) para la carga regenerativa de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 14 es un diagrama de flujo que ilustra un método (V-CC) para la carga regenerativa de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 15 es un diagrama de flujo que ilustra un método (C-CVLoR) para la carga regenerativa de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La figura 16 es un diagrama de flujo que ilustra un método (P-CC) para la carga regenerativa de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
Las figuras 17A y 17B son gráficos que muestran los resultados de cargar una batería modulada óhmicamente de acuerdo con una realización de la presente divulgación. Los protocolos de carga emplearon una carga CVLoR-CC a baja temperatura combinada con una carga normal CC-CV (CVLoR4VCCImax cuando T<Tcg1, CC 2,5C, CV 4,1V cuando T>Tcg1).
Las figuras 18A, 18B y 18C son gráficos que muestran los resultados de cargar una batería modulada óhmicamente de acuerdo con una realización de la presente divulgación. Los protocolos de carga emplearon una carga PV a baja temperatura combinada con una carga normal CC-CV (PV 6,8V-0,4V cuando T <Tcg1, CC 2,5C, CV 4,1V cuando T>Tcg1).
Las figuras 19A, 19B y 19C son gráficos que muestran los resultados de cargar una batería modulada óhmicamente de acuerdo con una realización de la presente divulgación. Los protocolos de carga emplearon una carga PC a baja temperatura combinada con la carga normal CC-CV (PC ± 3,2C cuando T <Tcg1, CC 2,5C, CV 4,1V cuando T>Tcg1). Las figuras 20A, 20B y 20C son gráficos que muestran los resultados de comparar la carga de una batería de iones de litio convencional con la de una OMB usando un protocolo de carga PC-CCCV.
Las figuras 21A, 21B y 21C son gráficos que muestran los resultados de comparar la carga regenerativa de una batería de iones de litio convencional con la de una OMB usando un protocolo de carga C-CVLoR.
Descripción detallada de la divulgación
Batería modulada óhmicamente
Las baterías recargables se han diseñado para aumentar sustancialmente la resistencia interna de la batería a bajas temperaturas, por ejemplo, a temperaturas por debajo de la temperatura de funcionamiento normal de la batería en particular. Tales baterías se han divulgado, por ejemplo, en la solicitud de patente estadounidense en trámite n° 14/267,648, presentada el 1 de mayo de 2014, y PCT/US2014/059729, presentada el 8 de octubre de 2014, ambas tituladas Batería modulada óhmicamente, cuya divulgación completa se incorporan en el presente documento como referencia.
Como se usa en el presente documento, los términos modulación óhmica de una batería recargable o una batería recargable modulada óhmicamente se refieren a una batería recargable diseñada para tener más de un nivel de resistencia interna que puede cambiar sustancialmente con la temperatura de la batería. Esta modulación óhmica deliberada se puede diseñar de forma activa o pasiva.
Una ventaja de tales baterías recargables es que la resistencia interna de la batería puede cambiar sustancialmente cuando la temperatura de la batería cae por debajo de un nivel predeterminado. La alta resistencia interna de la batería crea calor dentro de la batería para calentarla. Preferiblemente, la resistencia interna de la batería se vuelve lo suficientemente alta como para calentarla rápidamente en decenas de grados Celsius en segundos o en unos pocos minutos. Después de que la temperatura de la batería alcanza un nivel deseado, la alta resistencia interna se desactiva, lo que permite que la batería funcione en un modo de baja resistencia, por ejemplo, tan baja como en las baterías convencionales, lo que permite que la batería proporcione alta potencia y energía a pesar de estar en un ambiente de baja temperatura.
Preferiblemente, la batería recargable puede comprender un nivel de resistencia interna (R1) en un rango de temperatura de la batería entre una primera temperatura (T1) y una segunda temperatura (T2), y un segundo nivel de resistencia interna (R2) fuera de cualquiera T1 o T2. Preferiblemente, el valor de R2 cambia abruptamente, como en una función escalonada, o cambia bruscamente, como en un cambio continuo pero rápido en la resistencia, por debajo de T1 y/o por encima de T2. Por ejemplo, el valor de R2 a aproximadamente 2 °C por debajo de T1 es al menos dos veces el valor de R1 en T1 o el valor de R2 a aproximadamente 2 °C por encima de T2 es al menos dos veces el valor de R1 en T2. Ventajosamente, el valor de R2 a aproximadamente 2 °C por debajo de T1 es al menos de dos a cincuenta veces el valor de R1 en T1 y el valor de R2 a aproximadamente 2 °C por encima de T2 es de al menos dos a cincuenta veces el valor de R1 en T2. La modulación óhmica de la batería es ventajosamente reversible, es decir, la resistencia interna puede volver a cambiar de R2 a R1 entre T1 y T2. Las realizaciones de la presente divulgación incluyen en las que el valor de R2/R1 está entre 2 y 500 inclusive, por ejemplo, el valor de R2/R1 está entre 2 y 100 inclusive, o de 2 a 50, cuando el valor de R2 se determina en aproximadamente 2 °C por debajo de T1 y R1 se determina en T1. Las realizaciones adicionales o alternativas incluyen en las que el valor de R2/R1 está entre 2 y 500 inclusive, por ejemplo, el valor de R2/R1 está entre 2 y 100 inclusive, o de 2 a 50, cuando el valor de R2 se determina en aproximadamente 2 °C por encima de T2 y R1 se determina en T2. La modulación óhmica de la batería es ventajosamente reversible, es decir, la resistencia interna puede volver a conmutar de R2 a R1 entre T1 y T2.
Como se usa en el presente documento, los términos batería recargable o batería se usan para representar cualquier dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica recargable que contiene una o más células electroquímicas. Los elementos básicos de una célula de batería incluyen un electrodo de ánodo recubierto en un colector de corriente, un separador, un electrodo de cátodo recubierto en otro colector de corriente y un electrolito. La configuración de la batería de la presente divulgación se puede aplicar a una variedad de baterías tales como, entre otras, iones de litio, polímero de litio, plomo ácido, hidruro de níquel-metal, litio-azufre, litio-aire y todas las baterías de estado sólido. Tales baterías son útiles para aplicaciones de almacenamiento de energía estacionarias, militares, aeroespaciales y de transporte.
En una realización de la presente divulgación, una batería recargable puede tener al menos dos niveles de resistencia interna que dependen de la temperatura de la batería. Como se usa en el presente documento, la temperatura de la batería puede ser la temperatura interna o la temperatura de la superficie externa de la batería. La batería recargable de la presente realización puede configurarse para funcionar a un nivel de resistencia más alto cuando la temperatura interna de la batería está por debajo de una temperatura óptima, por ejemplo, por debajo de T1, calentando así la batería y mejorando su rendimiento. Por ejemplo, cuando la temperatura interna de la batería está por debajo de un rango normal, por ejemplo, por debajo de las temperaturas de funcionamiento normales, como por debajo de aproximadamente 5 °C o en entornos con temperaturas bajo cero (temperaturas inferiores a aproximadamente 0 °C, por ejemplo, menos de aproximadamente -10 o -20 °C), la resistencia interna de la batería se vuelve varias veces mayor que cuando la batería funciona en el rango de temperatura normal (por ejemplo, en el rango de aproximadamente 40 Qcm2 a aproximadamente 200 Qcm2). Como resultado, hay un calentamiento interno mucho más intensificado (ya que la generación de calor de la batería es proporcional a su resistencia interna), lo que conduce a un rápido aumento de la temperatura interna de la batería. Esto, a su vez, mejora rápidamente la potencia y la salida de energía de la batería mientras funciona en entornos con temperaturas bajo cero.
Una batería recargable de la presente divulgación puede incluir los componentes convencionales de una batería recargable y adicionalmente incluir uno o más componentes para modular la resistencia interna de la batería.
Por ejemplo, una batería recargable modulada óhmicamente puede incluir al menos un terminal negativo y al menos un terminal positivo para hacer funcionar la batería en R1, por ejemplo, a un nivel de resistencia interna bajo (LoR), por encima de T1. La batería modulada óhmicamente también puede incluir al menos un terminal de alta resistencia para hacer funcionar la batería en R2 , por ejemplo, a un alto nivel de resistencia interna (HiR), cuando la temperatura de la batería es inferior a T1. El terminal de alta resistencia puede ser un terminal negativo adicional (es decir, un HiR (-)) o un terminal positivo adicional (es decir, un HiR (+)).
Una batería recargable de este tipo puede incluir un conmutador que conmuta los niveles de resistencia de la batería. Por ejemplo, el conmutador puede aplicar los terminales de baja resistencia de la batería, por ejemplo, LoR (-) y/o LoR (+), para hacer funcionar la batería cuando la temperatura de la batería está por encima de T1, y puede aplicar uno o más terminales de alta resistencia, por ejemplo, HiR (-) y/o HiR (+), cuando la temperatura de la batería es inferior a T1.
El conmutador de la presente divulgación puede estar compuesto por un relé electromecánico y un controlador de temperatura, o un relé de estado sólido con un sensor de temperatura, un MOSFET de potencia con un sensor de temperatura o un conmutador de alta corriente con un sensor de temperatura. Alternativamente, el conmutador que conecta los terminales LoR(-) y HiR(-) se puede realizar mediante un controlador que tiene un circuito eléctrico y un sensor de temperatura de célula en un sistema de gestión de batería.
En una realización de la presente divulgación, la batería recargable incluye al menos una hoja de resistor que está conectada eléctricamente al terminal de alta resistencia. Al menos dicha hoja de resistor puede estar ubicada dentro de una célula de batería (expuesta al electrolito), o fuera y entre dos células de batería, o una combinación de algunas hojas de resistor dentro de las células y algunas hojas de resistor en el exterior y entre las células. La hoja de resistor configurada con una célula de la batería puede ser parte integral del colector de corriente de un electrodo de la célula de la batería
Como se usa en el presente documento, una hoja de resistor es un material que tiene una conductividad más baja (mayor resistencia eléctrica) en relación con las láminas colectoras de corriente de la batería y, cuando se activa durante el funcionamiento de la batería, provoca un aumento significativo en la resistencia eléctrica interna de la batería. La hoja de resistor tiene preferiblemente una resistencia en unidades de ohmios igual al valor numérico de entre 0,1 y 5 dividido por la capacidad de la batería en amperios-hora (Ah), por ejemplo, entre aproximadamente 0,5 y 2 dividido por la capacidad de la batería en Ah. Por ejemplo, la hoja de resistor para una batería de 20 Ah está preferiblemente entre aproximadamente 0,005 ohmios (0,1 dividido por 20) y aproximadamente 0,25 ohmios (5 dividido por 20), por ejemplo, entre aproximadamente 0,025 ohmios (0,5 dividido por 20) y aproximadamente 0,1 ohmios (2 dividido por 20).
Las hojas de resistor de la presente divulgación pueden ser cualquier metal que sea estable cuando se expone a los electrolitos de la batería y dentro de la ventana de voltaje electroquímico de una batería recargable cuando la hoja de resistor se expone a dicho entorno. Tales hojas de resistor pueden estar hechas de grafito, grafito pirolítico altamente ordenado (HOPG), acero inoxidable, níquel, cromo, nicromo, cobre, aluminio, titanio o combinaciones de los mismos. Si se usa en el exterior de las células de la batería y entre dos células adyacentes en un módulo, las hojas de resistor no necesitan ser anticorrosivas y, por tanto, hay materiales adicionales disponibles para su uso como hojas de resistor de la presente divulgación. La hoja de resistor de la presente divulgación es preferiblemente plana con una gran área superficial en buen contacto con los componentes adyacentes de la batería y tiene un grosor entre aproximadamente 1 y aproximadamente 150 micrómetros con un intervalo preferido de aproximadamente 5 a aproximadamente 60 micrómetros. Las hojas de resistor que tienen una gran resistencia eléctrica, alta conductividad térmica y pequeña capacidad calorífica son útiles para ciertas realizaciones de la presente divulgación.
En ciertas configuraciones de la presente divulgación, la batería recargable incluye una o más pestañas o terminales de alta resistencia y una o más pestañas o terminales de baja resistencia. Los terminales de alta resistencia conectan eléctricamente una o más hojas de resistencia y las pestañas o terminales de baja resistencia están configuradas para hacer funcionar la batería en un modo de baja resistencia.
Ventajosamente, la batería recargable de la presente divulgación puede configurarse fácilmente con componentes de batería recargable convencionales con una modificación mínima en ciertas realizaciones, incluyendo adicionalmente uno o más terminales de alta resistencia conectados a una o más hojas de resistor, por ejemplo. Las siguientes figuras ilustran determinadas realizaciones de la presente divulgación.
La figura 1A ilustra una realización de una batería modulada óhmicamente. Como se muestra en la figura 1A, la batería recargable 110 tiene varias hojas 112 de resistor incrustadas dentro de una pila de conjuntos de electrodoseparador y en contacto con el electrolito. Los conjuntos de electrodo-separador incluyen electrodos 114 de ánodo que tienen pestañas 114a de ánodo, separadores 116 y electrodos 118 de cátodo que tienen pestañas 118a de cátodo. La batería 110 incluye además un terminal negativo 120 de baja resistencia LoR(-)y un terminal negativo 122 de alta resistencia HiR(-), el conmutador 124 y el terminal positivo (+) 126.
En esta realización, cada hoja de resistor tiene dos pestañas 112a, 112b, que se pueden unir mediante soldadura. La pestaña 112a de resistor y las pestañas 114a de ánodo de los electrodos 114 de ánodo están conectadas eléctricamente al terminal negativo 120 de baja resistencia LoR(-) para formar un circuito de baja resistencia eléctrica. La pestaña 112b de resistor está conectada eléctricamente al terminal negativo 122 de alta resistencia HiR(-) para formar un circuito de nivel de alta resistencia eléctrica que se activa mediante el conmutador 124. Las pestañas 118a de cátodo de los electrodos 118 de cátodo están conectadas eléctricamente entre sí y al terminal positivo126. En este ejemplo particular, el conmutador 124 es un conmutador activado térmicamente que puede conectar o desconectar eléctricamente el terminal 120 LoR(-) y el terminal 122 HiR(-).
El conjunto de hoja de ánodo-separador-cátodo-resistor puede colocarse en un paquete apropiado, por ejemplo, en una carcasa de una célula de bolsa y llenarse con electrolito. En esta realización, el conjunto de hoja de ánodoseparador-cátodo-resistor está contenido en la carcasa 140. Los terminales negativo y positivo se pueden conectar eléctricamente a un circuito externo 128a y 128b.
En resumen, la batería recargable ilustrada en la figura 1A presenta tres terminales en el exterior, dos terminales negativos, LoR(-) y HiR(-), y un terminal positivo (+). Los dos terminales negativos, LoR(-) y HiR(-), están conectados además por un conmutador sensible a la temperatura inmediatamente fuera de la batería. En funcionamiento, cuando la temperatura de la batería está por encima de T1, el conmutador está CERRADO y la corriente de la batería rodea las hojas de resistor, ya que la corriente prefiere fluir a través del circuito de baja resistencia. En este caso, la batería funciona entre los terminales (+) y LoR(-), presentando una baja resistencia interna. Cuando la temperatura de la batería desciende por debajo de T1, el conmutador es ABIERTO, dejando los terminales (+) y HiR(-) operativos. Esto obliga a que la corriente de la batería fluya a través de las hojas de resistor y, por lo tanto, presenta una alta resistencia interna. Por ejemplo, cuando la temperatura de la batería está por debajo de un rango normal, como por debajo de aproximadamente 5 °C o en entornos con temperaturas bajo cero, la resistencia interna de la batería se vuelve varias veces mayor debido a la presencia de las hojas de resistor en la ruta del flujo de corriente. Una vez que funciona o es activada, hay un intenso calentamiento interno (ya que la generación de calor de la batería es proporcional a su resistencia interna), lo que conduce a un rápido aumento de la temperatura de la batería hasta un punto que activa el conmutador sensible a la temperatura a CERRADO. El conmutador CERRADO habilita inmediatamente el terminal LoR(-) para que esté operativo y reduce la resistencia interna de la batería. La combinación de baja resistencia interna y alta temperatura interna mejora sustancialmente la potencia y la salida de energía de la batería a pesar de operar en ambientes bajo cero.
Otra realización es colocar un conmutador entre el terminal positivo y el termina1HiR(-) de una batería modulada óhmicamente. Cuando la temperatura de la batería está por encima de T1, el conmutador está ABIERTO y la batería funciona entre los terminales positivo y LoR(-) y la corriente de la batería rodea las hojas de resistor, presentando una baja resistencia interna. Cuando la temperatura de la batería cae por debajo de T1, el conmutador está CERRADO mientras deja los terminales positivo y LoR(-) en circuito abierto. Esto obliga a que la corriente de la batería fluya a través de las hojas de resistor y, por lo tanto, un calentamiento interno rápido. Una vez que la temperatura de la batería sube a un punto, el conmutador sensible a la temperatura se activa a ABIERTO.
La figura 1B muestra otra ilustración parcial de la batería descrita para la figura 1A. La figura 1B muestra una batería modulada óhmicamente de tres terminales en una configuración prismática que tiene un electrodo 118 de cátodo y una hoja 112 de resistor adyacente al electrodo 114 de ánodo. La célula incluiría además el electrolito y un separador, que no se muestran por conveniencia ilustrativa. El electrodo 118 de cátodo incluye la pestaña 118a, la hoja 112 de resistor incluye las pestañas 112a y 112b y el electrodo 114 de ánodo incluye la pestaña 114a. La batería incluye además un terminal negativo 120 de baja resistencia LoR(-) y un terminal negativo 122 de alta resistencia HiR(-), el conmutador 124 y el terminal positivo (+) 126. Los elementos de la batería mostrados en la figura 1B están conectados eléctricamente como se describe para la figura 1A.
La figura 1C muestra otra disposición para la batería descrita en la figura 1A. En esta realización, la batería tiene una configuración prismática. Como se muestra en la figura 1C, la batería modulada óhmicamente se puede configurar con cuatro terminales, por ejemplo, terminal positivo 126, terminal negativo 121 de baja resistencia LoR(-)y dos terminales 123, 125 de alta resistencia HiR(-). La hoja 113 de resistor incluye dos pestañas 113a, 113b que forman dos terminales HiR(-) 123, 125 que son independientes del terminal 121 LoR(-). Uno de los terminales HiR(-) se puede conectar externamente con el terminal LoR(-),reduciendo esencialmente esta batería de 4 terminales a la batería de 3 terminales que se muestra en la figura1B. O, uno de los terminales HiR(-) se puede conectar eléctricamente a uno de los terminales HiR(-) desde una célula adyacente en una batería o módulo multicelular, formando una pluralidad de hojas de resistor conectadas en serie. La pluralidad de hojas de resistor se puede conectar a un circuito multicelular usando solo un conmutador.
Mientras que la batería de la figura 1A se ilustra con tres células unitarias y dos hojas de resistor conectadas eléctricamente en paralelo y un conmutador para activar la batería en el modo de alta o baja resistencia, la batería recargable de modulación óhmica de la presente divulgación puede tener módulos adicionales y/o células unitarias adicionales. La batería puede incluir hojas de resistor e conmutadores adicionales. Por ejemplo, la batería puede comprender más de un módulo o paquete de células donde las células del módulo son adyacentes entre sí y conectadas eléctricamente entre sí en una disposición en paralelo o en serie o combinaciones de las mismas. La batería puede incluir una pluralidad de hojas de resistor que están conectadas eléctricamente entre sí en serie o en paralelo y ubicadas entre células adyacentes en un módulo y una pluralidad de conmutadores activados térmicamente para hacer funcionar la batería en un modo de alta o baja resistencia.
En otras realizaciones de una batería modulada óhmicamente, se puede configurar una batería recargable colocando una o más hojas de resistor fuera de una célula de la batería. Por ejemplo, con un módulo de batería que incluye múltiples células, una o más hojas de resistor se pueden intercalar entre dos células adyacentes dentro del módulo de batería. La figura 2 ilustra tal realización.
Como se muestra en la figura 2, el módulo 210 de batería incluye una hoja 212 de resistor posicionada entre dos células 213a y 213b. La hoja de resistor se posiciona preferiblemente entre las células para proporcionar un calentamiento uniforme de las células y el módulo de batería, tal como se interpone firmemente entre dos células. Cada célula incluye electrodos 214 de ánodo, separadores 216 y electrodos 218 de cátodo. El módulo 210 de batería incluye además un terminal negativo LoR(-) 220 de baja resistencia que está conectado eléctricamente a cada célula del módulo y un terminal negativo HiR () 222 de alta resistencia, que está conectado eléctricamente a la hoja de resistor. El módulo de batería también incluye el conmutador 224 y terminales positivos (+) 226a y 226b. Los terminales negativo y positivo se pueden conectar eléctricamente a un circuito externo 228a y 228b.
En resumen, la batería recargable ilustrada en la figura 2 presenta células de dos terminales en las que un terminal (en esta realización, el terminal negativo) está conectado eléctricamente a un conmutador que además está conectado eléctricamente a una hoja de resistor. El módulo 210 de batería recargable de la figura 2 puede funcionar de la misma manera que se describe para la figura 1.
Mientras que el módulo 210 de batería en la figura 2 se ilustra como un módulo de célula doble con una hoja de resistor entre las dos células, las baterías moduladas óhmicamente de la presente divulgación pueden tener células y/o módulos y/o hojas de resistor y/o conmutadores adicionales. Por ejemplo, el módulo de batería puede tener 4, 5 o 6 células con una o más hojas de resistor posicionadas entre las células y alrededor de otras posiciones cerca de las células. La batería puede tener módulos adicionales con una o más hojas de resistor posicionadas entre los módulos y alrededor de otras posiciones cerca de los módulos. La batería puede tener conmutadores adicionales para conectar las hojas de resistor adicionales o un conmutador que conecta todas las hojas de resistor. Las células y/o el módulo pueden conectarse eléctricamente entre sí en una disposición en paralelo o en serie o combinaciones de las mismas. Las hojas de resistor también se pueden conectar eléctricamente entre sí en serie o en paralelo. Todos los diseños de baterías descritos anteriormente son aplicables a baterías recargables como iones de litio, hidruro de níquel-metal, plomo ácido, etc. Ventajosamente, la batería recargable de la presente divulgación se puede implementar para todas las químicas de batería, tales como baterías recargables de iones de litio, hidruro de níquelmetal o baterías de litio avanzadas tales como baterías de litio-azufre, litio-aire o todas las baterías de estado sólido, y para todos los factores de forma, ya sea de bolsa, cilíndrica, prismática o angular. La estructura de la célula puede acomodar diseños de electrodos enrollados y electrodos apilados, entre otros.
Carga rápida a bajas temperaturas
Otra ventaja de las baterías recargables moduladas óhmicamente es que se pueden configurar para una carga rápida a bajas temperaturas. Preferiblemente, las baterías moduladas óhmicamente se pueden cargar dentro de un período de aproximadamente 20-30 minutos a bajas temperaturas sin provocar un revestimiento de litio u otra degradación apreciable. La batería modulada óhmicamente también puede cargarse ventajosamente mediante potencia regenerativa para la carga eléctrica y calentamiento interno simultáneos.
Por ejemplo, en una realización de la presente divulgación, se puede incluir una batería modulada óhmicamente en un sistema de control de carga. El sistema puede incluir un sensor de temperatura configurado para monitorear la temperatura de la batería y un controlador conectado eléctricamente al sensor de temperatura que puede recibir entradas del sensor y está programado para determinar si cargar la batería en un protocolo de resistencia a baja temperatura u otro protocolo, por ejemplo, un segundo protocolo, basándose en la entrada del sensor de temperatura.
El sistema puede incluir componentes adicionales, individualmente o en combinación, tales como uno o más de un sensor de voltaje conectado eléctricamente a la batería, por ejemplo, un sensor de voltaje conectado eléctricamente al terminal de baja resistencia y/o al terminal de alta resistencia de la batería modulada óhmicamente; un sensor de corriente conectado eléctricamente a la batería y capaz de medir la corriente que fluye a través de la batería; y/o un generador conectado eléctricamente a la batería y capaz de cargar la batería. El generador se puede usar para capturar energía cinética, como en el frenado regenerativo de vehículos, y cargar la batería con tal energía. Con estos componentes opcionales adicionales, el controlador es capaz de recibir entradas del sensor de temperatura, uno o más sensores de voltaje y el sensor de corriente y es capaz de determinar si cargar la batería basándose en dichas entradas. Ventajosamente, el controlador es capaz además de ajustar la batería a un nivel de resistencia alto o un nivel de resistencia bajo basándose en la temperatura de la batería en ciertas realizaciones.
Al poner en práctica ciertas realizaciones de la presente divulgación, una batería recargable modulada óhmicamente se puede cargar con un protocolo de carga de baja temperatura (LTCP) cuando la batería está en un modo de alta resistencia, por ejemplo, cuando la temperatura de la batería está por debajo de una temperatura de carga predeterminada. (Tcg1). Además, la batería se puede cargar con otro o un segundo protocolo (por ejemplo, un protocolo de carga normal que se usa a temperaturas de funcionamiento normales) cuando la batería está en un modo de baja resistencia. Los LTCP incluyen cargar la batería con voltaje constante y/o con una corriente constante (I) y/o con una potencia de carga constante (P) y combinaciones de los mismos. En una realización de la presente divulgación, el LTCP incluye: (i) cargar la batería a un voltaje constante o una potencia de carga constante (P); y (ii) seguido de la carga de la batería a una corriente constante. La carga de la batería a la corriente constante puede ocurrir cuando la corriente de carga alcanza o excede una corriente de carga máxima predeterminada (Imax). Además, el voltaje constante se puede determinar a partir del voltaje del terminal de baja resistencia Vlor y/o el voltaje de la batería. El LTCP también puede incluir cargar la batería con un voltaje de pulso y/o potencia de pulso y/o corriente de pulso y combinaciones de los mismos. La carga con el segundo protocolo cuando la batería está en un modo de baja resistencia puede incluir un protocolo de voltaje constante-corriente constante, por ejemplo.
La figura 3A ilustra un sistema 600A de control de carga que soporta la carga rápida de una batería modulada óhmicamente a bajas temperaturas de acuerdo con una realización de la presente divulgación. El sistema 600A de control de carga incluye la batería modulada óhmicamente 601. En una realización preferida, se usa iones de litio como química de célula para la batería 601. Sin embargo, el sistema de control también es aplicable a otras químicas celulares.
Como se muestra en la figura 3A, la batería 601 tiene un terminal positivo (no mostrado) y dos terminales negativos 612 y 613, en la que 612 es el terminal negativo de baja resistencia LoR(-) y 613 es el terminal negativo de alta resistencia HiR(-). El conmutador 609 está conectado eléctricamente al terminal 612 LoR(-) y al terminal 613 HiR(-). El terminal 612 LoR(-) se aplica cuando el conmutador 609 está encendido, y el terminal 613 HiR(-) se aplica cuando el conmutador 609 está apagado. El conmutador 609 es operado por el controlador 604 en la presente realización. La batería 601 está conectada al cargador 602 a través del conmutador 610 y a la carga 603 a través del conmutador 611. La batería 601 también está conectada a un sensor 605 de corriente para medir la corriente de carga, un sensor 608 de temperatura para detectar la temperatura de la batería 601 y dos sensores 606 y 607 de voltaje. El sensor 606 de voltaje está conectado al terminal negativo 612 de baja resistencia para monitorear el voltaje del terminal de baja resistencia Vlor de la batería 601. El sensor 607 de voltaje está conectado al terminal negativo 613 de alta resistencia para medir el voltaje V de la batería 601.
En funcionamiento, el controlador 604 recibe información sobre la señal de corriente de carga/descarga I (positivo para carga, negativo para descarga) del sensor 605 de corriente, la señal de temperatura T del sensor 608 de temperatura, la señal de voltaje de baja resistencia Vlor de la batería del sensor 606 de voltaje y la señal de voltaje de la batería del sensor 607 de voltaje. El controlador 604 controla la operación de carga de la batería 601 enviando órdenes al cargador 602, la carga 603, los conmutadores 609, 610 y 611 basándose en la información recibida y los algoritmos de carga.
El funcionamiento del controlador 604 durante el proceso de carga se describe con referencia al diagrama de flujo de la figura 4 a continuación.
La figura 4 presenta un diagrama de flujo que ilustra el proceso 700 de carga de acuerdo con una realización de la presente divulgación. En el paso 701 de este diagrama de flujo, después de apagar los conmutadores 610 y 611, el controlador 604 adquiere la temperatura T del sensor 608 de temperatura y el voltaje de circuito abierto (OCV) del sensor 606 o 607 de voltaje. En el paso 702, el controlador 604 estima el estado de carga (SOC) de la batería 601. En una realización, esta estimación se realiza accediendo a una tabla de búsqueda en la que se almacena la correlación OCV-SOC. La tabla de búsqueda puede ser parte del controlador 604 o almacenarse en un estimador de SOC, que recibe la señal de voltaje de los sensores de voltaje y devuelve el SOC estimado usando la tabla de búsqueda al controlador 604.
En el paso 703, el controlador 604 hace una primera determinación sobre si la batería 601 debe cargarse comparando el SOC estimado con un SOCestablecido predeterminado. Cuando el SOC de la batería es menor que el SOCestablecido predeterminado, el proceso 700 pasa al paso 704. De lo contrario, la batería 601 no debe cargarse y el proceso de carga 700 finaliza.
En el paso 704, el controlador 604 hace una segunda determinación con respecto a las operaciones de carga basándose en la señal de temperatura de la batería del sensor 608 de temperatura. Cuando la temperatura de la batería T es menor que una temperatura de carga predeterminada (Tcg1), el proceso 700 pasa al paso 705 donde se llevan a cabo operaciones de carga a baja temperatura. De lo contrario, el proceso 700 avanza al paso 708 y la batería 601 se carga de una manera convencional, donde se usa carga normal o carga rápida. En una realización, la temperatura de carga predeterminada Tcg1 tiene un valor que está entre aproximadamente 5 °C y 25 °C, preferiblemente entre aproximadamente 20 °C y 25 °C. En una realización no limitativa de la presente divulgación, la temperatura de carga predeterminada es igual a aproximadamente 25 °C. Es decir, cuando la temperatura de la batería es inferior a unos 25 °C, la batería se carga en el modo de alta resistencia.
En el paso 705, el controlador 604 envía una señal al conmutador 609 para aplicar el terminal negativo de alta resistencia HiR(-) de modo que la batería 601 funcione en modo de alta resistencia (R2). La resistencia interna de la batería se vuelve varias veces mayor debido a la presencia de las hojas de resistor en la ruta del flujo de corriente, lo que permite un rápido aumento de la temperatura de la batería durante el funcionamiento debido al intenso calentamiento interno. El rápido aumento de temperatura de la batería 601 se puede acelerar aún más empleando métodos de carga optimizados descritos en las realizaciones siguientes.
En el paso 706, se pueden implementar uno o más LTCP, que se ejemplifica adicionalmente en los diagramas de flujo de las figuras 5-10, por ejemplo.
Después de la carga a baja temperatura y tan pronto como la temperatura de la batería alcanza Tcg1, el proceso 700 pasa al paso 707 en el que el controlador 604 envía una señal al conmutador 609 para aplicar el terminal negativo de baja resistencia LoR(-). La batería 601 entonces funciona a un nivel de resistencia interna normal en el rango de temperatura casi normal.
En el paso 708, la batería 601 se carga mediante un segundo protocolo, por ejemplo, un protocolo de carga normal, como un protocolo de corriente constante y voltaje constante (CC-CV). Tales protocolos CC-CV incluyen la carga a una corriente constante de aproximadamente 1C o superior y un voltaje constante de aproximadamente Vestablecido, en el que Vestablecido es un voltaje predeterminado. Además, se puede implementar la carga a 2C o tasas mayores para una carga rápida con los protocolos de carga normales. La carga normal continúa hasta que la batería 601 se carga a un SOC especificado, cuya determinación se implementa comprobando las condiciones de corte. Para un protocolo CC-CV, la carga se detiene hasta que el voltaje de la batería es igual al voltaje de carga especificado y la corriente de carga está por debajo de un valor de umbral predeterminado.
En una realización de la presente invención, un protocolo de carga a baja temperatura (LTCP), como se muestra en la figura 5, se denomina CVlor-CC. Este protocolo de carga comienza con el paso 801, donde el voltaje Vlor (voltaje de terminal de baja resistencia), medido por el sensor 606 de voltaje, se mantiene a un nivel constante. Este nivel de voltaje constante es menor o igual al nivel de voltaje Vestablecido, que es el voltaje de circuito abierto de la batería 601 en el SOCestablecido predeterminado.
Se establece un temporizador (no mostrado) al comienzo de la carga a baja temperatura para contar el tiempo de carga. La temperatura y la corriente de la batería se monitorean periódicamente mediante la recepción de señales del sensor 608 de temperatura y del sensor 605 de corriente.
En el paso 802, el controlador 604 determina si la temperatura de la batería T alcanza la temperatura predeterminada Tcg1. Cuando T>Tcg1, es decir, cuando la temperatura de la batería sube al nivel predeterminado donde es posible la carga normal, la carga a baja temperatura se detiene. De lo contrario, cuando T<Tcg1, el protocolo de carga a baja temperatura continúa y pasa al paso 803.
Durante la carga CVlor, la temperatura de la batería aumenta y su resistencia interna se reduce. Por tanto, se espera que la corriente de carga se eleve más allá de un nivel admisible. Para evitar daños por la alta corriente a la batería, la corriente de carga se comprueba periódicamente en el paso 803. El controlador 604 determina si la corriente de carga I excede una corriente de carga máxima predeterminada (Imax). Este valor lo establece típicamente el fabricante de la batería para una batería en particular. Cuando la corriente de carga I es mayor que Imax, la corriente de carga se limita a Imax y el protocolo de carga conmuta al modo de corriente constante (CC) (paso 804). De lo contrario, el proceso de carga vuelve al paso 801 donde se usa el protocolo CVlor.
En el caso de que la carga conmute al modo CC (paso 804), la temperatura de la batería 601 se comprueba periódicamente (paso 805). En el paso 805, el controlador 604 compara la temperatura de la batería con la temperatura predeterminada Tcg1. Cuando T es menor que Tcg1, entonces el proceso de carga vuelve al paso 804. Por otro lado, cuando T es mayor o igual que Tcg1, se completa el proceso de carga a baja temperatura.
En otra realización del método de carga a baja temperatura, como se muestra en la figura. 5, el protocolo se denomina CV-CC. Este método de carga se configura de manera idéntica al protocolo de carga CVlor-CC como se muestra en la figura. 5, excepto por el paso 901 de carga de voltaje constante, en el que el voltaje V medido por el sensor 607 de voltaje (voltaje de la batería), en lugar del Vlor medido por el sensor 606 de voltaje, se mantiene a un nivel constante. Debido a la alta resistencia en el terminal de alta resistencia, el voltaje de la batería V es mucho más alto que el voltaje del terminal de baja resistencia Vlor. El nivel de voltaje constante V para la carga es mayor que Vestablecido (el voltaje de circuito abierto de la batería 601 en el SOCestablecido predeterminado). En la realización preferida, el voltaje de carga V no es menor de aproximadamente 4V por célula, por ejemplo, mayor o igual a aproximadamente 5 V por célula, para lograr un calentamiento rápido de la batería 601 mientras se carga.
En otra realización del protocolo de carga a baja temperatura, como se muestra en la figura 7, el método se denomina método de carga CC. En el paso 1001, la señal de corriente medida por el sensor 605 de corriente se mantiene a un nivel constante para lograr una carga de corriente constante (CC). La corriente de carga está en un rango menor o igual a aproximadamente Imax para la vida útil de la batería y preocupación por la seguridad, y preferiblemente mayor o igual a una tasa de aproximadamente 1C para realizar una carga rápida e inducir un calentamiento interno intenso de la batería 601. Por ejemplo, la corriente constante con este protocolo está en el rango de aproximadamente 1C < I < Imax, por ejemplo, 2C < I < Imax. Se establece un temporizador (no mostrado) al comienzo de la carga para contar el tiempo de carga. La temperatura de la batería se monitorea periódicamente mediante la recepción de señales del sensor 608 de temperatura. En el paso 1002, el controlador 604 determina si la temperatura de la batería T alcanza la temperatura de carga predeterminada Tcg1. Cuando T>Tcg1, es decir, cuando la temperatura de la batería se eleva al nivel predeterminado donde es posible la carga normal o la carga rápida, el proceso de carga a baja temperatura se detiene. De lo contrario, cuando T <Tcg1, el proceso de carga vuelve al paso 1001 donde se usa el protocolo CC.
En otra realización de un LTCP, como se muestra en la figura 8, el protocolo está etiquetado como CP-CC. Este método de carga está configurado de manera idéntica al método de carga CV-CC como se muestra en la figura 5, excepto para el paso 1101 de carga de potencia constante, en la que la potencia de carga (voltaje de la batería V multiplicado por la corriente I), en lugar del voltaje de la batería V, se mantiene a un nivel constante. La potencia de carga se selecciona para incurrir en un intenso calentamiento interno de la batería de modo que el voltaje de la batería disminuya durante el período de carga del CP a pesar de aumentar el SOC. En consecuencia, la corriente de carga aumenta y está limitada por Imax. Este método de carga CP-CC sirve para evitar que la corriente de carga alcance rápidamente su valor máximo y así reducir el riesgo de revestimiento de litio. En la realización preferida de la invención, la potencia de carga P es mayor que el producto de aproximadamente 1C de corriente de carga y aproximadamente 4V de voltaje de carga, por ejemplo, mayor que aproximadamente 2C de corriente de carga y aproximadamente 5V de voltaje de carga.
En otra realización de un LTCP, como se muestra en la figura 9, el método se denomina método de carga de voltaje de pulso (PV), en el que se aplican pulsos de voltaje directo e inverso (carga y descarga) en la batería 601 durante períodos consecutivos. Si bien este protocolo se expresa como PV, también se puede expresar como potencia de pulso usando el mismo proceso.
El proceso de carga PV comienza con el establecimiento de la frecuencia de pulso en el paso 1201. En una realización preferida para este protocolo, la frecuencia de pulso varía entre aproximadamente 0,05 Hz y aproximadamente 10 Hz. Los pulsos con frecuencia por debajo de este rango inducen grandes polarizaciones de concentración en el electrolito y la fase sólida de la batería. Los pulsos con frecuencia por encima de este rango dan lugar a la exfoliación de los electrodos y la descomposición de los electrolitos. Se espera una degradación acelerada de la batería en ambos casos.
El paso 1202 establece las magnitudes de los pulsos de voltaje de carga y descarga. El voltaje de pulso medido por el sensor 606 de voltaje, que es igual al voltaje 607 de terminal de alta resistencia porque la batería funciona en el modo de alta resistencia, se mantiene a un nivel constante. En una realización preferida para este protocolo, el voltaje del pulso de carga varía entre aproximadamente 5 V y aproximadamente 8 V por célula, y el voltaje del pulso de descarga varía entre aproximadamente 0,2 V y aproximadamente 1 V por célula. Estos valores de voltaje están configurados para inducir un calentamiento interno intenso de la batería y, al mismo tiempo, evitar que la batería se dañe.
En el paso 1203, se ejecuta la operación de carga de pulsos de voltaje constante a la frecuencia y magnitud establecidas. Inmediatamente después de este pulso de carga, el controlador 604 hace una determinación en el paso 1204 basándose en el voltaje de terminal de baja resistencia Vlor recibido del sensor 606 de voltaje y el voltaje de funcionamiento máximo de la batería Vmax, que es mayor o igual al Vestablecido antes mencionado (el voltaje de circuito abierto de la batería 601 en el SOCestablecido predeterminado). Cuando Vlor< Vmax, se mantiene el protocolo de carga de pulsos de voltaje constante y el proceso de carga se bifurca al paso 1206 y cuando Vl0r> Vmax, es decir, se excede el voltaje de funcionamiento máximo para los materiales de la batería, el proceso de carga pasa al paso 1205. En el paso 1205, para evitar que Vlor supere Vmax, el controlador 604 establece el protocolo de funcionamiento de pulsos (sólo parte de carga) en Vc,lor = Vmax que se implementará en el siguiente período consecutivo.
En el paso 1206, el controlador 604 determina si la temperatura de la batería T alcanza la temperatura predeterminada Tcg1. Cuando T>Tcg1, es decir, cuando la temperatura de la batería sube al nivel predeterminado donde es posible la carga normal, la carga a baja temperatura se detiene. De lo contrario, cuando T <Tcg1, el proceso de carga a baja temperatura continúa y pasa al paso 1207.
En el paso 1207, se ejecuta la operación de descarga de pulsos de voltaje constante a la frecuencia y magnitud establecidas. Inmediatamente después de este pulso de descarga, el controlador 604 hace una determinación en el paso 1208 basándose en el voltaje de terminal de baja resistencia Vlor recibido del sensor 606 de voltaje y el voltaje operativo mínimo para los materiales de la batería Vmin. Cuando Vlor > Vmin, el protocolo de descarga de pulsos de voltaje constante se mantiene y el proceso se bifurca al paso 1210 y cuando Vlor <Vmin, el proceso de carga pasa al paso 1209. En el paso 1209, para evitar que Vlor caiga por debajo de Vmin, el controlador 604 establece el protocolo de operación de pulsos (solo parte de descarga) en Vd,LoR = Vmin que se implementará en el siguiente período consecutivo.
En el paso 1210, el controlador 604 determina si la temperatura de la batería T alcanza la temperatura predeterminada Tcg1. Cuando T>Tcg1, es decir, cuando la temperatura de la batería sube al nivel predeterminado donde es posible la carga normal, la carga PV se detiene. De lo contrario, cuando T <Tcg1, el proceso de carga PV continúa y pasa al paso 1203.
En otra realización del método de carga a baja temperatura, como se muestra en la figura 10, el método se denomina método de carga de corriente de pulso (PC), en el que se aplican pulsos de corriente directa e inversa (carga y descarga) en la batería 601 durante períodos consecutivos. Este método de carga se configura de manera idéntica al método de carga de voltaje de pulso (PV) como se muestra en la figura 9, excepto en el paso 1302, en el que se usa un pulso de corriente constante, en lugar de un pulso de voltaje constante. La corriente de pulso medida por el sensor 605 de corriente se mantiene a un nivel constante. En la realización preferida, la magnitud de la corriente (tanto de carga como de descarga) varía entre aproximadamente 2C y aproximadamente Imax. Estos valores de corriente están configurados para inducir un calentamiento interno intenso de la batería y, al mismo tiempo, evitar que la batería sufra daños no deseados. Además, la frecuencia de pulso de carga y descarga puede oscilar entre aproximadamente 0,05 Hz y aproximadamente 10 Hz.
Si bien solo se describen unos pocos algoritmos de carga de la presente invención mediante las realizaciones específicas anteriores, pertenecen a una clase de algoritmos basados en I-V-Vlor-T para baterías, que difieren de los algoritmos de carga basados en I-V-T.
Carga regenerativa
Además, las baterías recargables moduladas óhmicamente también pueden cargarse con energía regenerativa, por ejemplo, energía eléctrica o potencia que se produce a partir de la energía cinética de un vehículo en movimiento. Por ejemplo, el frenado regenerativo (también llamado regeneración) es la conversión de la energía cinética del vehículo en electricidad que recarga (regenera) la batería a bordo cuando el vehículo disminuye la velocidad y/o se detiene. Tal energía regenerativa se puede derivar para capturar energía de frenado en un vehículo como en vehículos eléctricos (EV), vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV), por ejemplo. En un sistema de control de carga que captura energía regenerativa, el sistema incluye un generador, por ejemplo, un motor/generador para convertir la energía cinética en potencia eléctrica. En una realización de la presente divulgación, un sistema de control de carga para capturar energía regenerativa incluye un sistema de regeneración de potencia que suministra potencia regenerativa a la batería recargable; un sistema de control de batería para aplicar potencia regenerativa a la batería recargable; un sistema de control del vehículo que (i) recibe la solicitud de frenado y el estado de la batería, y (ii) determina si aplicar el sistema de regeneración de potencia basándose en el estado de la batería, y (iii) en respuesta a la determinación, aplica el sistema de regeneración de potencia y reenvía la potencia regenerativa a la batería recargable.
Al poner en práctica ciertas realizaciones de la presente divulgación, una batería recargable modulada óhmicamente se puede cargar con energía regenerativa con un protocolo de carga regenerativa (RCP) cuando la batería está en un modo de alta resistencia, por ejemplo, cuando la temperatura de la batería está por debajo de un valor de carga predeterminado (Tcg1). Además, la batería se puede cargar con un segundo protocolo (por ejemplo, un protocolo de carga normal que se usa a temperaturas de funcionamiento normales) cuando la batería está en un modo de baja resistencia.
Los RCP incluyen, por ejemplo, cargar la batería aplicando una corriente de carga a la batería en forma controlada por voltaje o en forma controlada por potencia P o en forma controlada por corriente o combinaciones de las mismas. La forma controlada por voltaje, la forma controlada por potencia P y la forma controlada por corriente pueden ser un valor constante o una función del tiempo. En una realización de la presente divulgación, el RCP incluye (i) cargar la batería aplicando una corriente de carga a la batería en forma controlada por voltaje o en forma controlada por potencia P, (ii) seguido por cargar la batería a una corriente constante; en el que la forma controlada por voltaje se determina en el voltaje de terminal de baja resistencia VLoR(t) de la batería o en el voltaje de la batería V(t). La carga de la batería a la corriente constante puede ocurrir cuando la corriente de carga alcanza o excede una corriente de carga máxima predeterminada (Imax). La carga con el segundo protocolo cuando la batería está en un modo de baja resistencia puede incluir un protocolo de voltaje constante-corriente constante, por ejemplo.
La figura 11 muestra una configuración simplificada de un sistema 1400 de carga regenerativo de acuerdo con una realización de la presente divulgación. Un sistema de este tipo puede incluirse en un vehículo accionado eléctricamente como, por ejemplo, un EV/HEV/PHEV.
El sistema 1400 de carga regenerativa incluye 1401 recargable modulada óhmicamente. En una realización preferida, se usa ión de litio como química de célula para la batería 1401. Sin embargo, el sistema de control también es aplicable a otras químicas celulares.
La unidad 1410 de control de potencia, que está conectada eléctricamente a la batería 1401, motor/generador 1411 y otras unidades (no mostradas, como motor-generador, sistema eléctrico auxiliar de 12V, etc.), realiza el intercambio y conversión de potencia eléctrica entre sus conexiones. La unidad 1410 de control de potencia incluye sin limitación un inversor y un rectificador (no mostrado).
Cuando la batería 1401 se usa como fuente de potencia (descarga) para proporcionar potencia de tracción al vehículo, el inversor convierte la potencia DC suministrada por la batería 1401 en potencia AC para el motor/generador 1411, que actúa como un motor eléctrico que genera par de tracción y propulsa el vehículo a través del sistema mecánico 1412 (incluyendo embrague, transmisión, cigüeñal y ruedas, entre otros componentes), y cuando la batería 1401 está restaurando energía (cargando), el rectificador convierte la potencia AC del generador 1411 a la potencia DC para cargar la batería 1401. La restauración de energía a la batería puede ocurrir cuando uno de los eventos asociados es el frenado regenerativo, durante el cual el vehículo es retardado por el motor/generador 1411 que actúa como un generador que convierte la energía cinética del vehículo en potencia eléctrica.
En una realización de la presente divulgación, la batería 1401 tiene un terminal positivo (no mostrado) y dos terminales negativos 1402 y 1403, en la que 1402 es el terminal negativo de baja resistencia LoR(-) y 1403 es el terminal negativo de alta resistencia HiR (-). El conmutador 1409 está conectado eléctricamente al terminal 1402 LoR(-) y al terminal 1403 HiR(-). El terminal 1402 LoR(-) es aplicado cuando el conmutador 1409 está encendido, y el terminal 1403 HiR(-) es aplicado cuando el conmutador 1409 está apagado. El funcionamiento del conmutador 1409 se realiza mediante el controlador 1404.
La batería 1401 está conectada eléctricamente al sensor 1405 de corriente para detectar la corriente que entra y sale de la batería 1401, al sensor 1408 de temperatura para detectar la temperatura de la batería 1401 y a dos sensores 1406 y 1407 de voltaje. El sensor 1406 de voltaje está conectado eléctricamente al terminal negativo 1402 de baja resistencia para monitorear el voltaje del terminal de baja resistencia Vlor de la batería 1401. El sensor 1407 de voltaje mide el voltaje V de la batería 1401.
El controlador 1404 recibe información sobre la señal de corriente de carga/descarga I (positivo para carga, negativo para descarga) del sensor 1405 de corriente, la señal de temperatura T del sensor 1408 de temperatura, la señal de voltaje de baja resistencia de la batería Vlor del sensor 1406 de voltaje y la señal de voltaje de la batería del sensor 1407 de voltaje, así como los comandos del controlador 1413 de vehículo con respecto al modo de funcionamiento de la batería (descarga, carga, carga regenerativa o reposo). El controlador 1404 de batería controla el funcionamiento de la batería 1401 enviando comandos al conmutador 1409 y a la unidad 1410 de control de potencia. También puede enviar solicitudes al controlador 1413 de vehículo, que coordina el funcionamiento de los componentes del vehículo, que incluyen, entre otros, el controlador 1404 de batería, la unidad 1410 de control de potencia, el motor/generador 1411 y el sistema mecánico 1412.
El funcionamiento del controlador 1404 de batería y del controlador 1413 de vehículo durante el proceso de carga regenerativa se describe con referencia al diagrama de flujo de la figura 12, de acuerdo con una realización de la presente invención. Supóngase que el vehículo está en funcionamiento. Cuando el operador del vehículo inicia una orden de desaceleración presionando el pedal del freno, el controlador 1413 de vehículo envía una señal al controlador 1404 de batería para que adquiera la temperatura y el estado de carga (SOC) de la batería. En el paso 1501, el controlador 1404 de batería adquiere la temperatura T del sensor 1408 de temperatura, estima el SOC de la batería usando algoritmos de estimación de SOC o incorporando un estimador de SOC y devuelve la información de temperatura y SOC al controlador 1413 de vehículo.
En el paso 1502, el controlador 1413 de vehículo hace una determinación si debe realizarse una carga regenerativa. Cuando el SOC de la batería es menor que el SOCRG predeterminado, que es un umbral de SOC por encima del cual la carga regenerativa puede ocasionar daños a la batería 1401, el controlador 1413 de vehículo envía una señal al sistema mecánico 1412 del vehículo para retardar el vehículo a través del motor/generador 1411 donde se genera potencia eléctrica para cargar la batería 1401. Cuando el SOC de la batería es igual o superior al SOCrg, el controlador 1413 de vehículo ordena al sistema mecánico 1412 que use el frenado basado en la fricción, o que use el frenado regenerativo pero transmita la potencia eléctrica generada a otros componentes del sistema (como la refrigeración/calefacción de la cabina, calentamiento del motor, etc.) ordenando la unidad 1410 de control de potencia.
En el paso 1503, el controlador 1404 de batería hace una determinación con respecto a las operaciones de carga regenerativa basándose en la temperatura de la batería del sensor 1408 de temperatura. Cuando la temperatura de la batería T es menor que una temperatura predeterminada Tcg1, el proceso 1500 pasa al paso 1504 donde la batería 1401 se carga a un nivel de resistencia alto para calentamiento interno y carga eléctrica simultáneos. De lo contrario, el proceso 1500 avanza al paso 1506 y la batería 1401 se carga a un nivel de resistencia bajo para un almacenamiento de energía máximo. En una realización, la temperatura de carga predeterminada Tcg1 tiene un valor que está entre aproximadamente 5 °C y 25 °C, preferiblemente entre aproximadamente 20 y 25 °C. En una realización no limitativa de la presente divulgación, la temperatura de carga predeterminada es igual a aproximadamente 25 °C. Es decir, cuando la temperatura de la batería es inferior a unos 25 °C, la batería se carga en el modo de alta resistencia.
Cuando la temperatura de la batería T es más baja que la temperatura predeterminada Tcg1, el proceso 1500 pasa al paso 1504, donde el controlador 1404 de batería determina si el conmutador 1409 está encendido. Cuando la respuesta es Sí, en otras palabras, cuando la batería 1401 funciona a un nivel de resistencia bajo, el proceso 1500 continúa con el paso 1505 donde el controlador 1404 de batería ordena al conmutador 1409 que se apague y aplique el terminal negativo de alta resistencia HiR(-) de modo que la batería 1401 funciona a un nivel de alta resistencia (R2 ). La resistencia interna de la batería se vuelve varias veces mayor debido a la presencia de las hojas de resistor en la ruta del flujo de corriente, lo que permite un rápido aumento de la temperatura de la batería durante el funcionamiento debido al intenso calentamiento interno. Cuando la respuesta es NO, en otras palabras, cuando la batería 1401 funciona a un nivel de resistencia alto, no se necesita más acción en el conmutador 1409. El proceso 1500 salta al paso 1508 donde se implementa la carga regenerativa.
Cuando la temperatura de la batería T es mayor o igual que la temperatura predeterminada Tcg1, el proceso 1500 pasa al paso 1506, donde el controlador 1404 de batería determina si el conmutador 1409 está encendido. Cuando la respuesta es Sí, en otras palabras, cuando la batería 1401 funciona a un nivel de resistencia bajo, no se necesita más acción en el conmutador 1409. El proceso 1500 salta al paso 1508 donde se implementa la carga regenerativa. Cuando la respuesta es NO, en otras palabras, cuando la batería 1401 funciona a un nivel de resistencia alto, el proceso 1500 continúa con el paso 1507 donde el controlador 1404 de batería ordena al conmutador 1409 que encienda y aplique el terminal negativo de baja resistencia LoR(-) de modo que la batería 1401 funciona a un nivel de baja resistencia, lo que evita que la batería 601 se sobrecaliente y permite que se almacene más energía eléctrica en la batería 1401.
En el paso 1508, se implementa un protocolo de carga regenerativa, que se detalla más en los diagramas de flujo de las figuras 13-16, por ejemplo.
En una realización de la presente divulgación y como se muestra en la figura 13, se describe un RCP etiquetado como VLoR(t)-CC. En esta realización, cuando el controlador 1413 de vehículo emite una orden de carga regenerativa, la potencia AC eléctrica se genera a partir del generador 1411 y se convierte en potencia DC al nivel de voltaje apropiado mediante la unidad 1410 de control de potencia. En el paso 1601, el controlador de batería regula la potencia DC desde la unidad 1410 de control de potencia a la batería 1401 en una forma controlada por voltaje VLoR(t), monitoreando la señal de voltaje del sensor 1406 de voltaje. La forma controlada por voltaje puede ser un voltaje constante a lo largo del tiempo o una función del tiempo, es decir, un tiempo establecido. En una realización preferida, VLoR(t) es menor o igual que Vmax.
Se establece un temporizador (no mostrado) al comienzo de la carga regenerativa para contar el tiempo de carga. En el paso 1602, se ejecuta la operación de carga al nivel de voltaje establecido durante un intervalo de tiempo especificado.
Inmediatamente después de este intervalo de tiempo, el controlador 1404 de batería hace una determinación en el paso 1603 basándose en la corriente de carga I del sensor 1405 de corriente e Imax. Cuando I < Imax, el protocolo de carga mantiene el modo de carga establecido y el proceso de carga se bifurca al paso 1605. Cuando I> Imax, es decir, se excede la corriente de carga máxima, el proceso de carga pasa al paso 1604. En el paso 1604, la corriente de carga se limita a Imax y el protocolo de carga conmuta al modo de corriente constante (CC) donde I = Imax, que se implementará en el siguiente intervalo de carga.
En el paso 1605, el controlador 1404 de batería hace una determinación sobre si continúa la carga regenerativa, basándose en la señal recibida del controlador 1413 de vehículo. Cuando la respuesta es Sí, el proceso de carga vuelve al paso 1602, donde la batería 1404 se carga en el siguiente intervalo de tiempo. Cuando la respuesta es NO, el proceso de carga regenerativa se detiene.
En otra realización del método de carga regenerativa, como se muestra en la figura 14, el método se denomina método de carga regenerativa V(t)-CC. Este método de carga se configura de manera idéntica al método de carga regenerativa VLoR(t)-CC como se muestra en la figura 13, excepto para el paso 1701 de carga de voltaje establecido, en el que se controla el voltaje V medido por el sensor 1407 de voltaje (voltaje de la batería), en lugar del Vlor medido por el sensor 1406 de voltaje. Debido a la alta resistencia involucrada, el voltaje de la batería V es mucho más alto que el voltaje del terminal de baja resistencia Vlor.
En otra realización de un RCP, como se muestra en la figura 15, el protocolo se denomina C-CVlor. En el paso 1801, el controlador de batería regula la potencia DC desde la unidad 1410 de control de potencia a la batería 1401 en la forma controlada por corriente I(t), monitoreando la señal de corriente del sensor 1405 de corriente. En una realización preferida, I(t) es menor o igual que Imax. Se establece un temporizador (no mostrado) al comienzo de la carga regenerativa para contar el tiempo de carga. En el paso 1802, se ejecuta la operación de carga al nivel de corriente establecido durante un intervalo de tiempo especificado. Inmediatamente después de este intervalo de tiempo, el controlador 1404 de batería hace una determinación en el paso 1803 basándose en el voltaje de terminal de baja resistencia Vlor del sensor 1406 de voltaje y Vmax. Cuando Vlor á Vmax, el protocolo de carga mantiene el modo de carga establecido y el proceso de carga se bifurca al paso 1805. Cuando Vlor> Vmax, el proceso de carga pasa al paso 1804. En el paso 1804, el voltaje de terminal de baja resistencia Vlor se limita a Vmax y el protocolo de carga conmuta al modo de voltaje constante (CVlor) donde Vlor = Vmax, que se implementará en el siguiente intervalo de carga. En el paso 1805, el controlador 1404 de batería determina si la carga regenerativa continúa, basándose en la señal recibida del controlador 1413 de vehículo. Cuando la respuesta es SÍ, el proceso de carga vuelve al paso 1802, donde la batería 1404 se carga en el siguiente intervalo de tiempo. Cuando la respuesta es NO, el proceso de carga regenerativa se detiene.
En otra realización del método de carga regenerativa, como se muestra en la figura 16, el método se denomina método de carga regenerativa P(t)-CC. Este método de carga se configura de manera idéntica al método de carga V(t)-CC como se muestra en la figura 14, excepto para el paso 1901 de carga de potencia establecida, en la que se controla la potencia de carga (el producto del voltaje V de la batería y la corriente de carga I), en lugar del voltaje V de la batería.
Si bien solo se describen unos pocos algoritmos de carga regenerativa de la presente invención mediante las realizaciones específicas anteriores, pertenecen a una clase de algoritmos basados en I-V-Vlor-T, que son novedosos y diferentes de los algoritmos de carga convencionales basados en I-V-T.
Carga rápida a bajas temperaturas con disposición de conmutador paralelo
La figura 3B ilustra un sistema 600B de control de carga que soporta la carga rápida de una batería modulada óhmicamente a bajas temperaturas de acuerdo con otra realización de la presente divulgación. En esta realización, el conmutador 609 puede conectar eléctricamente el terminal HiR(-) 613 al terminal positivo de la batería 601. Ventajosamente, esta realización no incluye un sensor de voltaje para monitorear el voltaje VLoR de terminal de baja resistencia de la batería 601, por ejemplo, el sensor 606 de voltaje no está incluido, ya que el sensor 607 de voltaje es suficiente para determinar el voltaje de los terminales negativos y la batería.
Todos los demás componentes y conexiones mostrados en la figura 3B son los mismos que en la figura 3A, por ejemplo, el conmutador 609 es operado por el controlador 604, la batería 601 está conectada al cargador 602 a través del conmutador 610 y a la carga 603 a través del conmutador 611 y la batería 601 también está conectada a un sensor 605 de corriente para medir la corriente de carga, un sensor 608 de temperatura para detectar una temperatura de la batería 601 y el sensor 607 de voltaje.
En funcionamiento, el controlador 604 recibe información sobre la señal de corriente de carga/descarga I (positiva para cargar, negativa para descargar) del sensor 605 de corriente, la señal de temperatura T del sensor 608 de temperatura y la señal de voltaje de la batería del sensor 607 de voltaje. El controlador 604 controla la operación de carga de la batería 601 enviando órdenes al cargador 602, la carga 603, conmutadores 609, 610 y 611 basándose en la información recibida y los algoritmos de carga.
En un protocolo de carga a baja temperatura, el conmutador 609 aplica eléctricamente la batería 601 al cargador 602 a través del terminal de alta resistencia de la batería, es decir, el terminal 613 de alta resistencia está conectado por el conmutador 609 al terminal positivo de la batería durante un LTCP. Con este diseño, la corriente de carga total se divide en dos rutas paralelas: una que atraviesa los materiales activos de la batería y sale del terminal 612; y el otra que entra en el terminal 613 y a través de una o más hojas de resistor de la batería y que después emerge a través del terminal 612. La corriente parcial que fluye a través de las hojas de resistor genera calor que aumenta la temperatura interior de la batería y, por lo tanto, ayuda al proceso de carga de la batería. El diseño del circuito en la realización, en el que el conmutador aplica eléctricamente un terminal de alta resistencia a un terminal positivo de la batería durante la carga de la batería por una fuente de corriente eléctrica, permite ventajosamente cambiar a un voltaje más bajo que cuando la carga se produce solo a través del terminal de alta resistencia durante un LTCP.
En una realización de la presente divulgación, un método para cargar una batería recargable modulada óhmicamente incluye cargar la batería con un protocolo de carga de baja temperatura (LTCP) aplicando un conmutador que está conectado eléctricamente a un terminal HiR(-) a un terminal positivo de la batería cuando la batería está conectada eléctricamente a una fuente de corriente eléctrica que carga la batería. La batería se puede cargar con un segundo protocolo, por ejemplo, un protocolo de carga normal que se usa a temperaturas de funcionamiento normales, desaplicando el conmutador.
EJEMPLO
El siguiente ejemplo pretende ilustrar más ciertas realizaciones preferidas de la presente invención y no es de naturaleza limitante. Los expertos en la técnica reconocerán, o serán capaces de determinar, usando únicamente experimentación rutinaria, numerosos equivalentes a las sustancias y procedimientos específicos descritos en el presente documento.
En este ejemplo, se produjo una batería modulada óhmicamente y se probó en condiciones simuladas usando un modelo acoplado electroquímico-térmico. Los detalles con respecto a dicho modelo se pueden encontrar en Ji et al., "Funcionamiento de célula de iones de litio a bajas temperaturas", J. Electrochemical Society (2013) 160 (4) A636-A649.
Se produjo una batería OMB de producción piloto de 20Ah en forma de célula prismática y hecha de cátodo de litioníquel-manganeso-cobalto (NMC) y ánodo de grafito. La batería incluía una hoja de resistor intercalada entre dos conjuntos de electrodo-separador de rodillo de gelatina. La hoja de resistor da lugar a un terminal negativo adicional de alta resistencia, además de un terminal positivo y un terminal negativo de baja resistencia. La hoja de resistor tenía la forma de una lámina de resistor y estaba hecha de acero inoxidable de 25 cm de largo, 6 cm de ancho y 11 um de grosor. Su resistencia fue de aproximadamente 0,045 ohmios y su peso es de aproximadamente 1,4 gramos, que es aproximadamente el 0,3% del peso total de la batería. El conmutador realizado en forma de relé electromecánico y accionado por un controlador de temperatura se posicionó fuera de la OMB.
Un sistema de control de carga como se describe en la figura 2 está diseñado para demostrar los métodos de carga rápida a bajas temperaturas. La temperatura predeterminada TCG1 se establece en 25 °C. Los voltajes máximo y mínimo para los materiales de la batería se establecen en Vmax = 4,1V por célula, Vmin = 2,8V por célula. La corriente de carga máxima permitida de la batería Imax = 3,5C = 70A. El sensor de temperatura se realiza en forma de varios termopares montados en la batería. Antes de la prueba, la batería de prueba se descarga al 25% de SOC y luego se sumerge durante 5-6 horas en una cámara térmica ajustada a -25 °C. El SOC de carga de destino se establece en SOCestablecido = 100%, que corresponde a Vestablecido = 4,1V/célula. También se prueba para un estudio comparativo una célula de referencia sin la lámina de resistor, el terminal de alta resistencia y el conmutador pero que permanecen idénticos.
La batería (601 en el sistema de carga figura 2) se carga desde el 25% de SOC al 100% de SOC usando el método de carga como se describe en el diagrama 700 de flujo (figura 4), que comprende dos etapas: carga a baja temperatura (paso 706) y carga normal (paso 708). En el paso de carga normal 708, la batería 601 se carga mediante el protocolo CC-CV en el que se usa una tasa de corriente de 2,5C (50A) durante el período CC y un voltaje de 4,1 V/célula hasta que se usa una corriente de corte de C/10 (2A) durante el periodo de CV. En el paso de carga a baja temperatura 706, se aplicaron seis protocolos de carga a baja temperatura, a saber, carga c Vlor-CC, carga CV-Cc , carga CC, carga CP-Cc , carga PV y carga PC como se describe en las figuras 4-10, respectivamente, y se probaron. Las evoluciones de SOC, la corriente, la temperatura, el voltaje y el voltaje de terminal de baja resistencia Vlor de esta OMB de 20 Ah durante todo el proceso de carga para cada protocolo de carga a baja temperatura se muestran en las figuras 17-19.
La figura 17A y la figura 17B muestran las evoluciones del SOC, la corriente, la temperatura y el voltaje de la batería obtenidos usando el método de carga CVlor-CC (Vlor = 4,0V/célula, I = Imax) descrito en la figura 5 para la carga a baja temperatura, seguida de carga normal (CC-CV I = 2,5C, V = 4,1V/célula). Este método puede cargar la batería del 25% de SOC al 100% de SOC en 25 minutos desde una temperatura ambiente de -25 °C. Además, el período de carga a baja temperatura consume solo 99 segundos (carga CVlor 49 segundos y carga CC 50 segundos), durante el cual la temperatura de la batería aumenta bruscamente de -25 °C a 25 °C, como se observa en la figura 17A. Este rápido calentamiento interno de la batería se logra activando el nivel de alta resistencia de la batería y aplicando un alto voltaje de carga (entre 6 V a 7,2 V por célula de la figura 17B), lo que crea un calentamiento intenso de la lámina de resistor incrustada dentro de la batería. Además, como se observa en la figura 17B, el voltaje de terminal de baja resistencia de la batería, dentro del cual residen todos los materiales de la batería, permanece por debajo de 4.0V y la corriente de carga permanece por debajo de Imax = 70A, según lo controlado por el método de carga CVlor-CC, que ayuda a reducir o eliminar el daño de la batería. Cuando la temperatura de la batería alcanza los 25 °C, el controlador conmuta la batería al modo de baja resistencia. La batería es capaz de mantener su temperatura en el nivel óptimo (alrededor de 25 °C) debido al equilibrio entre la generación de calor interno y la disipación de calor. Mantenerse a la temperatura óptima permite una carga rápida y continua de la batería.
Evoluciones similares de los resultados de SOC, la corriente, la temperatura y el voltaje de la batería fueron similares a los mostrados en las figuras 17A y 17B, cuando se usó el método de carga CV-Cc (V = 6,5 V/célula, I = Imax) descrito en la figura 6 para la carga a baja temperatura, y cuando se usa el método de carga CC (I = 2,8C) descrito en la figura 7 para la carga a baja temperatura, y cuando se usa el método de carga CP (P = 350W/célula) descrito en la figura 8 para la carga a baja temperatura. Estos procesos de carga tardan un total de aproximadamente 25 minutos, de los cuales entre 110 y 120 segundos se usan para la carga a baja temperatura, lo que lleva la temperatura de la batería de -25 °C a 25 °C. El alto voltaje de carga y la alta resistencia interna durante el período de carga a baja temperatura generan un intenso calentamiento interno de la batería, provocando un rápido aumento de la temperatura de la batería y una disminución del voltaje de la batería a pesar de que la batería está aceptando carga. Vlor e I, importante para la estabilidad de los materiales de la batería, están todos dentro del rango de funcionamiento normal durante todo el proceso de carga.
Las figuras 18A y 18B y 18C muestran las evoluciones del SOC, la corriente, la temperatura y el voltaje de la batería obtenidos usando el método de carga PV (Vc = 6,8 V/célula, Vd = 0,4 V/célula) descrito en la figura 9 para la carga a baja temperatura, seguida de carga normal (CC-CV I = 2,5C, V = 4,1V/célula). Todo el proceso de carga dura aproximadamente 26 minutos, de los cuales solo 87 segundos se usan para la carga PV, lo que lleva la temperatura de la batería de -25 °C a 25 °C. Durante el período de carga PV en el que la batería permanece en el modo de alta resistencia, el voltaje de la batería varía entre 6,8 V y 0,4 V, lo que provoca un intenso calentamiento interno de la batería. En el presente ejemplo, la corriente de carga está cerca de la corriente de descarga en magnitud, de modo que se observa un pequeño aumento de SOC durante la carga PV. Sin embargo, este conjunto de funcionamiento por pulsos tiene el beneficio de reducir el riesgo de revestimiento de litio y otras reacciones secundarias porque se suprime la polarización de la concentración en la fase sólida de los materiales activos, como saben los expertos en la técnica. Dependiendo de la capacidad de potencia de la batería, la cantidad de capacidad de carga se puede establecer más grande que la cantidad de capacidad de descarga en cada período de voltaje de pulso para reducir aún más el tiempo de carga. Es decir, el método de carga PV puede ser asimétrico en la carga frente a los pulsos de descarga. Obsérvese también del recuadro de la figura 18C que el voltaje del terminal de baja resistencia, Vlor, que abarca todos los materiales de la batería siempre se mantiene entre 3 y 4 V, lo que indica condiciones óptimas para la vida útil de la batería.
Las figuras 19A-19C muestran las evoluciones del SOC, la corriente, la temperatura y el voltaje de la batería obtenidos usando el método de carga PC (Ic = 3,2C, Id = -3,2C) descrito en la figura 10 para la carga a baja temperatura, seguida de carga normal (CC-CV I = 2,5C, V = 4,1V/célula). La batería muestra un comportamiento idéntico al que usa el método de carga PV mostrado en las figuras 18A-18C, excepto que la corriente de pulso se mantiene a un nivel constante y, por lo tanto, se permiten variaciones en el voltaje de la batería.
En la figura 23 se muestra una comparación de la batería OMB de 20 Ah (etiquetada como batería modulada óhmicamente) y la batería de referencia (etiquetada como batería de iones de litio convencional) usando el método de carga PC (descrito en la figura 10) para la carga a baja temperatura. El período de carga a baja temperatura, durante el cual la temperatura de la batería aumenta de -25 °C a 25 °C, lleva solo 92 segundos para la batería OMB. Por el contrario, este período necesita 30 minutos para la batería de referencia. El tiempo total de carga de la batería de referencia (55 minutos) es más del doble que el de OMB (26 minutos). Se cree que la diferencia en el rendimiento se puede entender observando las evoluciones de voltaje de las dos baterías durante el período de carga PC. La variación de voltaje de OMB se mantiene en un nivel alto, desde una carga de 6,8 V a una descarga de 0,2 V al principio y desde una carga de 6,6 V a una descarga de 0,6 V al final de la carga PV, mientras que la variación de voltaje de la batería de referencia varía de carga de 4,1 V a descarga de 3,1 V) al principio y de carga de 3,67 V a descarga de 3,46 V en la etapa posterior durante la carga PC, lo que implica que la tasa de calentamiento interno de OMB es mucho mayor y más estable, mientras que la tasa de calentamiento interno de la batería de iones de litio convencional es pequeña y disminuye rápidamente con el aumento de temperatura. Los beneficios de los protocolos de carga a baja temperatura que se divulgan en el presente documento se materializan completamente mediante el uso de las OMB.
Un ejemplo que demuestra la carga regenerativa usando el sistema 1400 de carga regenerativa descrito en la figura 11, los métodos de carga regenerativa C-CVlor descritos en la figura 12 y la figura 15 se da aquí, usando las mismas baterías, por ejemplo, una OMB de 20 Ah y una batería de iones de litio convencional de referencia. Los parámetros relevantes, como Tcg1, Vmax, Vmin, Imax, son los mismos que los de la carga a baja temperatura. El SOC predeterminado para la carga regenerativa se establece en SOCRG = 60%. Antes de la carga regenerativa, la batería de prueba se descarga al 30% de SOC y luego se sumerge durante 5-6 horas en una cámara térmica ajustada a -25 °C.
De acuerdo con los métodos de carga descritos en la figura 12, debido a que la temperatura de la batería de aproximadamente -25 °C es menor que la temperatura predeterminada (TCG1 = 25 °C), se aplica el terminal de alta resistencia. Durante cada período de carga regenerativa, la batería de prueba se carga mediante un protocolo C-CVlor, en el que I = 3C (60A) se usa para la carga controlada por corriente y Vlor = 4,1V se usa para la carga CVlor.
Como ejemplo de carga por pulsos, el proceso de carga regenerativa está representado por 10 pulsos de carga regenerativa en la duración de 10 minutos. Cada pulso dura 10 segundos seguido de un período de descanso de 50 segundos.
Los resultados de las pruebas se muestran en las figuras 21A a 21C. Como se ve en la evolución de la temperatura, la temperatura de la OMB de prueba aumenta drásticamente durante cada período de carga regenerativa. Después de diez minutos, su temperatura alcanza los 22,0 °C. Por el contrario, la temperatura de la batería de referencia muestra un aumento mucho menor durante cada período de carga y aún permanece en un nivel muy bajo (-18,4 °C) al final de la carga regenerativa. El gran aumento de temperatura de la OMB de prueba se atribuye a su alta resistencia interna, que genera una tasa de calentamiento interno mucho más alta que incurre en un aumento de temperatura promedio de 4,7 °C (0,66 °C para la batería de referencia) durante cada pulso de carga regenerativa de 10 segundos. Los beneficios de los protocolos de carga regenerativa divulgados en el presente documento se materializan en su totalidad mediante el uso de las OMB.
Además, como se ve en la evolución de la corriente y el voltaje de la batería, la OMB probada siempre permanece en modo de corriente constante durante la carga, mientras que la batería de referencia conmuta rápidamente al modo CVlor desde el segundo pulso regenerativo. Los diferentes modos de carga de las baterías se deben a sus diferentes comportamientos de temperatura. La OMB de prueba permanece a una temperatura mucho más alta, lo que le permite aceptar una corriente de carga más alta sin incurrir en el modo CVlor. Por lo tanto, la OMB tiene la ventaja adicional de una alta aceptación de carga durante el frenado regenerativo.
Si bien los resultados de las pruebas antes mencionadas se muestran para una batería de iones de litio, se espera que las baterías moduladas óhmicamente basadas en baterías de litio avanzadas, hidruro de níquel-metal (Ni-MH), plomo ácido (Pb-ácido) y otras químicas de batería tengan las mismas ventajas.
En la presente divulgación sólo se muestran y describen las realizaciones preferidas de la presente invención y ejemplos de su versatilidad. Debe entenderse que la presente invención se puede usar en varias otras combinaciones y entornos y es capaz de cambios o modificaciones dentro del alcance del concepto inventivo como se expresa en el presente documento. Así, por ejemplo, los expertos en la técnica reconocerán, o podrán determinar, usando únicamente experimentación rutinaria, numerosos equivalentes a las sustancias, procedimientos y disposiciones específicos descritos en el presente documento. Se considera que tales equivalentes están dentro del alcance de esta invención y están cubiertos por las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. - Un sistema (600A, 600B) de control de carga para cargar una batería recargable modulada óhmicamente (601, 1401) que comprende:
una batería modulada óhmicamente (601, 1401) que comprende al menos un terminal negativo (120, 122) y al menos un terminal positivo (126) para hacer funcionar la batería (601, 1401) a un nivel de resistencia bajo, y al menos un terminal (122, 123, 125) de alta resistencia conectado eléctricamente a al menos una hoja (112, 113, 212) de resistor dentro de una célula (213a, 213b) de la batería (601, 1401) o entre las células (213a, 213b) de la batería (601, 1401) para hacer funcionar la batería (601, 1401) a un nivel de resistencia alto,
un sensor (608, 1408) de temperatura configurado para monitorear la temperatura de la batería (601, 1401);
un conmutador (124, 224) que puede aplicar eléctricamente la batería (601, 1401) a una fuente de corriente eléctrica a través de un terminal (121) de baja resistencia o al menos dicho terminal (122, 123, 125) de alta resistencia de la batería (601, 1401); y
un controlador (604, 1404) conectado eléctricamente al sensor (608, 1408) de temperatura y al conmutador (124, 224) y que puede recibir la entrada del sensor (608, 1408) de temperatura y está programado para determinar si se debe aplicar eléctricamente la batería (601, 1401) a la fuente de corriente eléctrica a través del terminal (121) de baja resistencia o el terminal (122, 123, 125) de alta resistencia a través del conmutador (124, 224) basándose en la entrada del sensor (608, 1408) de temperatura,
caracterizado porque al menos dicha hoja de resistor incluye dos pestañas (112a, 112b) con una pestaña conectada eléctricamente a al menos dicho terminal de alta resistencia y la otra pestaña conectada eléctricamente a al menos dicho terminal negativo o a al menos dicho terminal positivo.
2. - El sistema (600A, 600B) de control de carga de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además: un sensor (605, 1405) de corriente conectado eléctricamente a la batería (601, 1401) y capaz de medir la corriente que fluye a través de la batería (601, 1401) y/o un sensor (606, 607, 1406, 1407) de voltaje conectado eléctricamente a la batería (601, 1401);
en el que el controlador (604, 1404) puede recibir entradas del sensor (608, 1408) de temperatura y el sensor (605, 1405) de corriente y/o sensor (606, 607, 1406, 1407) de voltaje y está programado para determinar si aplicar eléctricamente la batería (601, 1401) a la fuente de corriente eléctrica a través del terminal (121) de baja resistencia o el terminal (122, 123, 125) de alta resistencia a través del conmutador (124, 224) basándose en entradas de los sensores.
3. - El sistema (600A, 600B) de control de carga de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el conmutador (124, 224) puede aplicar eléctricamente el terminal (122, 123, 125) de alta resistencia a un terminal positivo (126) de la batería (601, 1401).
4. - El sistema (600A, 600B) de control de carga de acuerdo con la reivindicación 1, 2 o 3, que comprende además un generador (1411) conectado eléctricamente a la batería (601, 1401) y capaz de cargar la batería (601, 1401).
5. - Un vehículo accionado eléctricamente que comprende el sistema (600A, 600B) de control de carga de la reivindicación 4.
6. - Un método para cargar una batería recargable modulada óhmicamente (601, 1401) en un sistema (600A, 600B) de control de carga con
una batería modulada óhmicamente (601, 1401) que comprende al menos un terminal negativo (120, 122) y al menos un terminal positivo (126) para hacer funcionar la batería (601, 1401) a un nivel de resistencia bajo, y al menos un terminal (122, 123, 125) de alta resistencia conectado eléctricamente a al menos una hoja (112, 113, 212) de resistor dentro de una célula (213a, 213b) de la batería (601, 1401) o entre las células (213a, 213b) de la batería (601, 1401) para hacer funcionar la batería (601, 1401) a un nivel de resistencia alto, en el que al menos dicha hoja de resistor incluye dos pestañas (112a, 112b) con una pestaña conectada eléctricamente a al menos dicho terminal de alta resistencia y la otra pestaña conectada eléctricamente a al menos dicho terminal negativo o a al menos dicho terminal positivo;
un sensor (608, 1408) de temperatura configurado para monitorear la temperatura de la batería (601, 1401);
un conmutador (124, 224) que puede aplicar eléctricamente la batería (601, 1401) a una fuente de corriente eléctrica a través de un terminal (121) de baja resistencia o de al menos dicho terminal (122, 123, 125) de alta resistencia de la batería (601, 1401);
un controlador (604, 1404) conectado eléctricamente al sensor (608, 1408) de temperatura y al conmutador (124, 224) y que puede recibir la entrada del sensor (608, 1408) de temperatura y está programado para determinar si se aplica eléctricamente la batería (601, 1401) a la fuente de corriente eléctrica a través del terminal (121) de baja resistencia o el terminal (122, 123, 125) de alta resistencia a través del conmutador (124, 224) basándose en la entrada del sensor (608, 1408) de temperatura, comprendiendo el método:
cargar la batería (601, 1401) con un protocolo de carga de baja temperatura (LTCP) cuando la batería (601, 1401) está en un modo de alta resistencia; y
cargar la batería (601, 1401) con un segundo protocolo cuando la batería (601, 1401) está en un modo de baja resistencia.
7. - El método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el LTCP incluye: (i) cargar la batería (601, 1401) a un voltaje constante o una potencia de carga constante (P); y (ii) seguido de la carga de la batería (601, 1401) a una corriente constante; en el que el voltaje constante se determina en el voltaje Vl0r del terminal (121) de baja resistencia de la batería (601, 1401) o en el voltaje de la batería (601, 1401).
8. - El método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la carga de la batería (601, 1401) a la corriente constante se produce cuando la corriente de carga alcanza o supera una corriente de carga máxima predeterminada (Imax).
9. - El método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el LTCP incluye cargar la batería (601, 1401) aplicando alternativamente carga y descarga de energía de pulsos a la batería (601, 1401).
10. - El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6, 7 u 8, que comprende además cargar la batería (601, 1401) en el modo de alta resistencia cuando la temperatura de la batería (601, 1401) está por debajo de un nivel predeterminado Tcg1 y cargar la batería (601, 1401) en el modo de baja resistencia cuando la temperatura de la batería (601, 1401) es igual o superior a Tcg1.
11. - El método de acuerdo con la reivindicación 10, en el que Tcg1 es un valor entre 5 °C y 25 °C.
ES15826723T 2014-07-28 2015-07-27 Sistemas y métodos para cargar rápidamente baterías a bajas temperaturas Active ES2856686T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201462029865P 2014-07-28 2014-07-28
PCT/US2015/042304 WO2016018830A1 (en) 2014-07-28 2015-07-27 Systems and methods for fast charging batteries at low temperatures

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2856686T3 true ES2856686T3 (es) 2021-09-28

Family

ID=55166051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES15826723T Active ES2856686T3 (es) 2014-07-28 2015-07-27 Sistemas y métodos para cargar rápidamente baterías a bajas temperaturas

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10186887B2 (es)
EP (1) EP3195445B1 (es)
JP (1) JP6599975B2 (es)
KR (1) KR102213020B1 (es)
CN (1) CN106797128B (es)
ES (1) ES2856686T3 (es)
WO (1) WO2016018830A1 (es)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10181814B2 (en) * 2015-09-15 2019-01-15 Wilson Chan Solar battery system for low temperature operation
US10183588B2 (en) * 2016-01-06 2019-01-22 Johnson Controls Technology Company Battery module lithium plating reduction
US20170264105A1 (en) * 2016-03-08 2017-09-14 Lucas STURNFIELD Method and apparatus for electric battery temperature maintenance
DE102016205374A1 (de) * 2016-03-31 2017-10-05 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zum Laden einer Batterie
DE102016224551A1 (de) * 2016-12-09 2018-06-14 Robert Bosch Gmbh Verfahren, maschinenlesbares Speichermedium und elektronische Steuereinheit zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems sowie entsprechendes elektrisches Energiespeichersystem
KR20180070889A (ko) * 2016-12-19 2018-06-27 현대자동차주식회사 자동차 및 그 제어 방법
KR20180074971A (ko) 2016-12-26 2018-07-04 삼성전자주식회사 시간 기반 적응적 배터리 충전 제어 방법 및 장치
DE102017210747A1 (de) * 2017-06-27 2018-12-27 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Vorwärmen einer Batterie eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs sowie Ladevorrichtung
EP3664247B1 (en) * 2017-07-31 2022-01-26 Nissan Motor Co., Ltd. Charging time computation method and charge control device
US10491006B2 (en) * 2017-10-17 2019-11-26 Htc Corporation Hand-held apparatus and method for power charging management thereof
CN108110349B (zh) * 2017-12-15 2020-05-05 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种电池充电的方法及装置、计算机可读存储介质
WO2019183553A1 (en) 2018-03-22 2019-09-26 Tae Technologies, Inc. Systems and methods for power management and control
CN111971847A (zh) * 2018-04-16 2020-11-20 美国电化学动力公司 一种通过加热辅助电池充电的系统和方法
DE102018206383A1 (de) * 2018-04-25 2019-10-31 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Lithiumionenbatterie, Lithiumionenbatterie und Kraftfahrzeug
DE102018209461A1 (de) * 2018-06-13 2019-12-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen, Steuereinheit für ein Ladesystem, Energiespeicher und Arbeitsvorrichtung
DE102018210524A1 (de) * 2018-06-27 2020-01-02 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Aufladen von Akkupacks für Elektrowerkzeugmaschinen sowie Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens
CN110970962A (zh) * 2018-12-07 2020-04-07 宁德时代新能源科技股份有限公司 充放电电路
KR20220016470A (ko) * 2019-05-30 2022-02-09 티에이이 테크놀로지스, 인크. 에너지 저장 시스템의 모듈 레벨에서의 진보된 배터리 충전
US11958382B2 (en) * 2020-04-01 2024-04-16 Honeycomb Battery Company Graphene-enabled battery fast-charging and cooling system and method of operating same
CN111883865A (zh) * 2020-07-31 2020-11-03 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种锂离子电池低温充电方法
US12015290B2 (en) 2020-10-30 2024-06-18 Techtronic Cordless Gp Battery pack with temperature limited current
CN112670622A (zh) * 2020-12-22 2021-04-16 山东大学 一种基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法
US11891777B2 (en) 2021-01-20 2024-02-06 Deere & Company Electric braking power used for battery regeneration in a mobile work machine
KR20220112240A (ko) * 2021-01-28 2022-08-10 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 충전 방법, 전원 배터리의 배터리 관리 시스템 및 충전 파일
CN114497818B (zh) * 2022-01-26 2023-10-24 中南大学 一种低温环境下锂离子电池的内部快速加热方法

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH077866A (ja) * 1993-06-16 1995-01-10 Sanyo Electric Co Ltd 二次電池の充電回路
JPH07105980A (ja) * 1993-09-30 1995-04-21 Sanyo Electric Co Ltd 非水系二次電池の充電方法
JP3470470B2 (ja) * 1995-09-27 2003-11-25 ソニー株式会社 円筒形二次電池
JPH0992335A (ja) 1995-09-27 1997-04-04 Sony Corp 円筒形二次電池
JP3707109B2 (ja) * 1995-09-27 2005-10-19 ソニー株式会社 二次電池
US5849431A (en) 1995-09-27 1998-12-15 Sony Corporation High capacity secondary battery of jelly roll type
JP3633056B2 (ja) * 1995-09-27 2005-03-30 ソニー株式会社 二次電池
WO1999067836A1 (fr) 1998-06-25 1999-12-29 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Cellule et procede de production
US6072301A (en) 1998-10-20 2000-06-06 Chrysler Corporation Efficient resonant self-heating battery electric circuit
US6326767B1 (en) * 1999-03-30 2001-12-04 Shoot The Moon Products Ii, Llc Rechargeable battery pack charging system with redundant safety systems
JP2002125326A (ja) * 2000-10-12 2002-04-26 Honda Motor Co Ltd バッテリの充電制御方法
CN1209845C (zh) * 2000-12-28 2005-07-06 松下电器产业株式会社 非水电解质二次电池
JP2002369402A (ja) 2001-06-04 2002-12-20 Toyota Motor Corp 充電制御装置
KR100786941B1 (ko) * 2005-05-10 2007-12-17 주식회사 엘지화학 이차전지 보호회로 및 이를 구비한 이차전지
JP4535124B2 (ja) * 2005-08-25 2010-09-01 パナソニック株式会社 電圧モニタ装置とそれを用いた蓄電装置
CN102544496A (zh) * 2005-09-09 2012-07-04 A123系统公司 具有高充电和放电倍率能力和低阻抗增长的锂二次电池
JP4201035B2 (ja) * 2006-09-05 2008-12-24 セイコーエプソン株式会社 電池素子および電子機器
DE102007029744A1 (de) 2007-06-27 2009-01-08 Robert Bosch Gmbh Anordnung mit wenigstens einer Batterie
JP5314872B2 (ja) 2007-10-01 2013-10-16 株式会社オハラ 発熱機構を備える二次電池
JP5169715B2 (ja) * 2007-10-17 2013-03-27 株式会社デンソー 車両用蓄電手段の加熱装置
CN101557118B (zh) * 2008-04-09 2012-05-30 鹏智科技(深圳)有限公司 二次电池的充电控制电路
JP5288170B2 (ja) 2008-10-03 2013-09-11 株式会社デンソー バッテリの昇温制御装置
JP5359390B2 (ja) * 2009-03-06 2013-12-04 トヨタ自動車株式会社 電池温度調節装置
JP5225186B2 (ja) * 2009-04-17 2013-07-03 フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド 充電制御回路及びこの充電制御回路を備えたバッテリ充電器
US8334675B2 (en) 2010-07-28 2012-12-18 Honda Motor Co., Ltd. Method of charging battery based on calcualtion of an ion concentration of a solid active material and battery charging control system
CN102074755B (zh) 2010-07-30 2012-05-09 比亚迪股份有限公司 一种电池的加热电路
JP5617473B2 (ja) 2010-09-21 2014-11-05 株式会社デンソー 電池加熱装置
JP2012069496A (ja) * 2010-09-27 2012-04-05 Denso Corp 電池加熱装置
SG10201508548PA (en) * 2010-10-22 2015-11-27 Nucleus Scient Inc Apparatus and method for rapidly charging batteries
JP5622705B2 (ja) * 2010-11-12 2014-11-12 本田技研工業株式会社 充放電制御装置及び充放電制御方法
JP5708070B2 (ja) * 2011-03-11 2015-04-30 日産自動車株式会社 バッテリ温度制御装置
GB2495500A (en) * 2011-10-11 2013-04-17 Nissan Motor Mfg Uk Ltd Battery charger for electric vehicle
US8901885B2 (en) * 2012-03-09 2014-12-02 Tesla Motors, Inc. Low temperature fast charge
KR20130005610U (ko) * 2012-03-16 2013-09-25 주식회사 서울스탠다드 가열수단이 내장된 휴대용배터리
CN104247200A (zh) * 2012-04-24 2014-12-24 Nec能源元器件株式会社 充电控制设备和充电控制方法
DE102012210146A1 (de) 2012-06-15 2013-12-19 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie
JP2014054143A (ja) * 2012-09-10 2014-03-20 Toshiba Corp 電源装置、充電方法及びプログラム
CN103117421A (zh) * 2013-03-07 2013-05-22 清华大学 一种电池低温充电方法
US9882197B2 (en) 2013-10-11 2018-01-30 Ec Power, Llc All climate battery and manufacturing and using the same
US9502708B2 (en) * 2013-10-11 2016-11-22 Ec Power, Llc Ohmically modulated battery

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017523756A (ja) 2017-08-17
EP3195445A4 (en) 2018-02-28
CN106797128A (zh) 2017-05-31
CN106797128B (zh) 2020-03-24
US10186887B2 (en) 2019-01-22
EP3195445A1 (en) 2017-07-26
KR102213020B1 (ko) 2021-02-08
US20160023563A1 (en) 2016-01-28
WO2016018830A1 (en) 2016-02-04
EP3195445B1 (en) 2020-12-02
KR20170031250A (ko) 2017-03-20
JP6599975B2 (ja) 2019-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2856686T3 (es) Sistemas y métodos para cargar rápidamente baterías a bajas temperaturas
US9882197B2 (en) All climate battery and manufacturing and using the same
US8283878B2 (en) Battery storage device system, and motor driving body and moving body using the system
US9692087B2 (en) Ohmically modulated battery
JP5314872B2 (ja) 発熱機構を備える二次電池
EP3195446B1 (en) Rechargeable battery system
JP6047810B2 (ja) 二次電池、これを含む二次電池モジュール及び二次電池パック
JP5715694B2 (ja) 電池制御装置、電池システム
JP6453854B2 (ja) 複数の抵抗レベルを有する蓄電池
US20160111727A1 (en) Metal-Ion Battery with Offset Potential Material
JP2013254664A (ja) 二次電池の制御装置
KR102489543B1 (ko) 상변환 물질에 의해 배터리 온도의 급격한 변화를 제어할 수 있는 배터리 장치 및 그를 이용한 배터리 장치 운전 방법
KR20190071455A (ko) 셀 밸런싱 장치 및 방법
Chatterjee et al. Analysis of Li-Ion Battery Characteristics and Thermal Behavior