ES2880598T3 - Estado de autonomía de carga - Google Patents

Abstract

Un sistema de gestión (100) para un paquete de celdas de batería (105), el sistema de gestión comprende: un cargador/descargador (110) acoplado al paquete de celdas de batería (105), un controlador (115) acoplado al cargador/descargador (110) para controlar la corriente de carga, y un subsistema de adquisición y supervisión de datos de la batería (120) acoplado al controlador (115) para adquirir datos relativos al paquete de celdas de batería (105), el controlador (115) está configurado para determinar un perfil de carga ajustable para el paquete de celdas de batería (105), donde el controlador (115) incluye un procesador y una memoria que almacena instrucciones de programa de ordenador ejecutables en el procesador y está configurado para: obtener un parámetro operacional que represente un requisito de siguiente operación anticipado para el siguiente ciclo operacional después del siguiente ciclo de carga para el paquete de celdas de batería; determinar un siguiente plan de ciclo para el paquete de celdas de batería (105) determinando un punto inicial y un punto final para un estado de carga de las celdas de la batería, SOC, que proporcione el siguiente requisito de operación anticipado mientras se reduce simultáneamente el impacto del SOC para el paquete de celdas de batería (105) en la vida útil del ciclo del paquete de celdas de batería (105) y en el que la vida útil del ciclo se mide sobre una pluralidad de ciclos aplicados, en donde dicho SOC para el paquete de celdas de batería (105) proporciona un margen adicional para una o más funciones adicionales, en donde dicha una o más funciones adicionales incluyen la compensación de una capacidad decreciente de las celdas de batería debido a la edad de las celdas de batería del paquete de celdas de batería (105) y establecer un plan de descarga/carga que incluya una o más etapas para producir el punto inicial del SOC de la celda de la batería para dicho siguiente plan de ciclo , en el que el plan de descarga/carga incluye una o más etapas de descarga si el punto inicial del SOC de la celda de la batería es inferior a un SOC actual de la celda de la batería.

Description

DESCRIPCIÓN

Estado de autonomía de carga

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a las baterías recargables de química de iones de litio, y más específicamente a la mejora de la vida útil de los paquetes de baterías de iones de litio para automóviles.

Antecedentes de la invención

Las baterías de iones de litio son comunes en la electrónica de consumo. Son uno de los tipos de batería más populares para la electrónica portátil, con una de las mejores relaciones energía-peso, sin efecto memoria y con una lenta pérdida de carga cuando no se utiliza. Además de los usos para la electrónica de consumo, las baterías de iones de litio son cada vez más populares para aplicaciones de automoción, defensa y aeroespaciales debido a su alta densidad de energía y potencia.

Una de las ventajas del uso de una química de iones de litio es que las baterías fabricadas con esta tecnología son recargables. La carga tradicional se realiza con un algoritmo de carga en dos pasos: (i) corriente constante (CC), y (ii) tensión constante (CV). En los vehículos eléctricos (EV), el primer paso podría ser la potencia constante (CP). Paso 1: Aplicar el límite de corriente de carga hasta que se alcance el límite de voltios por celda.

Paso 2: Aplicar el límite máximo de voltios por celda hasta que la corriente disminuya por debajo de un nivel predeterminado (a menudo C/20 pero a veces C/5 o C/10 u otro valor).

El tiempo de carga es de aproximadamente 1 a 5 horas, dependiendo de la aplicación. Por lo general, las baterías de los teléfonos móviles pueden cargarse a 1C y las de los ordenadores portátiles a 0,8 C. La carga suele detenerse cuando la corriente es inferior a C/10. Algunos cargadores rápidos se detienen antes de que comience el paso 2 y afirman que la batería está lista con una carga del 70% aproximadamente. (Tal como se utiliza aquí, "C" es una corriente nominal que descarga la batería en una hora)

Generalmente para la electrónica de consumo, el ion litio se carga con aproximadamente 4,2 ± 0,05 V/celda. Las aplicaciones automotrices, industriales y militares pesadas pueden utilizar voltajes más bajos para prolongar la vida útil de la batería. Muchos circuitos de protección se desconectan cuando se alcanzan >4,3 V o 90 °C.

En los sistemas alimentados por baterías, la capacidad de estimar con precisión la carga restante en la batería es altamente deseable, y en muchos casos esencial. Por ejemplo, en dispositivos electrónicos portátiles como cámaras, teléfonos móviles, sistemas de juego portátiles y ordenadores, conocer esa información permite al usuario final calibrar cuánto tiempo puede utilizar el dispositivo antes de que sea necesario recargarlo. En algunos casos, esta información puede evitar que el usuario final pierda datos de forma inadvertida, algo habitual cuando una cámara o un ordenador dejan de funcionar repentinamente debido a que la batería se ha descargado por completo. En otras aplicaciones, como los vehículos eléctricos, conocer la capacidad restante de la batería puede marcar la diferencia entre un viaje exitoso y otro fallido, es decir, uno en el que el vehículo y su conductor se quedan tirados cuando, sin avisar suficientemente, la batería se descarga por completo. Además, dado que el voltaje de una batería disminuye a medida que se reduce el estado de carga de la misma, conocer el estado de carga permite hacer una estimación precisa de la potencia disponible para el dispositivo que funciona con batería, por ejemplo, un vehículo eléctrico. Para estimar con precisión la capacidad restante de una batería, es fundamental que se conozca con precisión la capacidad total de la batería. Desgraciadamente, en condiciones normales de uso, como las que se dan en un vehículo eléctrico u otro dispositivo con batería, es difícil determinar con precisión la capacidad de la batería. Por ejemplo, en un procedimiento para determinar la capacidad de la batería, la capacidad inicial de la batería se reduce gradualmente en función de una serie de factores como la edad de la batería, el número de ciclos de carga/descarga hasta la fecha y la temperatura. Desgraciadamente, esta técnica no proporciona una evaluación muy precisa de la capacidad de la batería, tanto porque algunos factores no se tienen debidamente en cuenta (por ejemplo, los perfiles históricos de temperatura, las condiciones de carga, la profundidad de la descarga antes de cada carga, las tasas de carga/descarga y otros similares) como porque los efectos de los errores se acumulan a medida que la batería envejece. Otro procedimiento para determinar la capacidad de la batería es dejar que la batería se descargue por completo, y luego determinar la capacidad de la batería durante la carga. Aunque esta técnica puede utilizarse ocasionalmente, su uso rutinario puede tener graves repercusiones, ya que la descarga profunda de una batería, y en particular la descarga completa, puede acortar drásticamente su vida útil. Además, para la mayoría de los dispositivos alimentados por baterías, especialmente los vehículos eléctricos, sería extremadamente inconveniente exigir que el usuario deje que la batería se descargue por completo antes de cargarla. Esto sería similar a exigir que se conduzca un coche convencional hasta que el depósito de gasolina esté seco antes de rellenarlo, simplemente para determinar la capacidad del depósito de gasolina.

Es importante destacar que la técnica anterior reconoce las preocupaciones de varios sistemas de carga, en particular en cuanto a la seguridad y la degradación de una celda de la batería. Dado que los paquetes de baterías utilizados para un uso intensivo, como los vehículos eléctricos de automoción y otras aplicaciones industriales pesadas, suelen tener miles de celdas de batería, y el montaje de las celdas representa una gran inversión de recursos (dinero y tiempo), las cuestiones relativas a la seguridad y la degradación son aún más importantes. Por el contrario, muchos dispositivos de consumo incluyen una celda de batería recargable que suele representar una fracción relativamente pequeña del coste total, y por lo general no hay requisitos especiales para obtener y sustituir una celda de batería, y la duración del ciclo de la batería es relativamente menos importante que la capacidad.

Para las aplicaciones de consumo, el envejecimiento de las celdas de la batería de iones de litio no suele ser un factor. Una batería de iones de litio en uso suele durar entre 5 y 7 años, ya que pierde capacidad. Esta pérdida de capacidad se manifiesta en el aumento de la resistencia interna causada por tensiones mecánicas (por ejemplo, cambio de volumen, reacciones secundarias y similares) y la oxidación. Con el tiempo, la resistencia de las celdas llega a un punto en el que el pack es incapaz de suministrar la energía almacenada, aunque la batería aún tenga carga suficiente. Por esta razón, una batería envejecida puede mantenerse durante más tiempo en aplicaciones que consumen poca corriente, a diferencia de una función que exige grandes cargas. El aumento de la resistencia interna con la duración del ciclo y el envejecimiento es típico del ion litio con base de cobalto, un sistema que se utiliza para los teléfonos móviles, las cámaras y los ordenadores portátiles debido a la alta densidad de energía. El ion litio de menor densidad energética, también conocido como espinela, mantiene la resistencia interna a lo largo de su vida, pero pierde capacidad debido a las descomposiciones químicas. La espinela se utiliza principalmente para las herramientas eléctricas.

Aunque la afirmación general sobre la vida útil limitada de las baterías de iones de litio es exacta, se entiende que la longevidad es en gran medida un factor de "estilo de vida" y "condiciones de vida" experimentadas por el paquete de baterías y sus celdas. La velocidad con la que envejece el ion litio se rige por muchos factores, como la temperatura y el estado de carga. Los altos niveles de carga y las elevadas temperaturas aceleran la pérdida permanente de capacidad. Las mejoras en la química han aumentado el rendimiento de almacenamiento de las baterías de iones de litio. El nivel de voltaje al que se cargan las celdas también desempeña un papel importante en la longevidad: se ha elegido un valor de 4,1 de voltaje máximo de las celdas como un buen equilibrio entre una capacidad suficiente de las celdas y una menor degradación del ciclo de vida.

En general, las baterías tienen un ciclo de vida mayor cuando se tratan de forma suave. Los voltajes de carga elevados, la velocidad de carga excesiva y las condiciones de carga extremas tendrán un efecto negativo y acortarán la vida útil de la batería. Esto también se aplica a las baterías de iones de litio de alta tasa de corriente. No sólo es mejor cargar la batería de iones de litio a una velocidad de carga más lenta, sino que las altas velocidades de descarga también contribuyen al desgaste adicional. Cuando una batería se carga y descarga a menos de 1C, la vida útil de los ciclos de las celdas de alta densidad energética es, por lo general, mucho mejor que los niveles de carga/descarga más altos (medidos por la capacidad de descarga de la batería (Ah)). (El uso de una tasa de carga y descarga de 0,5C mejoraría aún más esta calificación. Las celdas de potencia son capaces de soportar cargas y descargas de mayor velocidad) Una carga y una descarga moderadas suponen un menor esfuerzo para la batería, lo que se traduce en un ciclo de vida más largo. Además, la temperatura y el estado de carga en que se almacena la batería son fundamentales para su longevidad. Debe evitarse mantener la batería a un SOC elevado y a altas temperaturas. Por ejemplo, cuando se prepara para un largo período de inactividad, el vehículo debe almacenarse a un SOC más bajo. Aunque la autonomía del vehículo se reduce en el modo de almacenamiento, este sacrificio en la autonomía es beneficioso para prolongar la vida del pack.

La vida de los iones de litio depende de otros factores además de las tasas de carga y descarga. Aunque se pueden conseguir mejoras incrementales con un uso cuidadoso de la batería, el entorno de la celda de la batería y los servicios requeridos no siempre son propicios para conseguir una vida útil óptima de la batería. La longevidad de una batería suele ser un resultado directo de las tensiones ambientales aplicadas.

Las mismas consideraciones expuestas anteriormente para aumentar la vida útil de la batería pueden entrar a menudo en conflicto con algunos de los requisitos de la larga autonomía del vehículo y el uso de paquetes de baterías de alto rendimiento utilizados en aplicaciones de automoción y otros escenarios industriales. Como se ha señalado anteriormente, el coste de los recursos que representa un paquete de baterías avanzado para aplicaciones industriales y de automoción es significativo, y alcanzar un equilibrio cercano al óptimo entre la larga autonomía y la vida útil del pack es muy importante. Los retos aumentan porque cada usuario tendrá requisitos diferentes, y esos requisitos variarán con el tiempo. En resumen, no suele haber una solución única que pueda establecerse a priori para cada usuario.

La solicitud de patente incorporada abordó varias situaciones diferentes para la optimización de la autonomía del SOC y proporcionó soluciones para esas situaciones. Esta divulgación se centra en una de las situaciones en particular, la optimización de la autonomía del SOC en el contexto del envejecimiento del paquete de baterías. Los fabricantes de vehículos eléctricos siguen mejorando la autonomía del vehículo eléctrico y una forma de hacerlo es aumentar la energía total almacenada. Para conseguirlo sin aumentar el peso (por los módulos de batería adicionales) suele ser necesario aumentar la densidad energética.

El uso de una tecnología más nueva y el uso de una mayor densidad puede tener un resultado no deseado con el usuario final, el propietario del vehículo eléctrico. Tal y como se implementan convencionalmente los sistemas de carga, se da el caso de que la carga disponible del sistema de baterías de mayor densidad energética se degradará más rápidamente con el tiempo que los sistemas de baterías de menor densidad energética. El usuario final que se centra en el cambio de capacidad (es decir, la autonomía) a lo largo del tiempo puede percibir que la nueva tecnología de baterías es inferior o que funciona mal. Las interrelaciones de los niveles de SOC, la carga y el uso pueden ser complejas, lo que hace que la apreciación de las sutiles diferencias sea un reto para algunos usuarios finales. Y el ajuste de los distintos parámetros para cualquier usuario final en particular también puede ser un reto, sobre todo porque los diferentes patrones de funcionamiento del usuario final pueden afectar significativamente a la degradación de la capacidad, especialmente cuando la carga y la gestión de la batería no son complementarias al funcionamiento del usuario final.

Solicitudes como WO2009/069481 o US2009/140700 describen una estación de carga para vehículos eléctricos que realiza el programa de carga en perspectiva de la evaluación del consumo de energía previsto y la medición del SOC, pero existe la necesidad de mejorar la duración del ciclo de un paquete de baterías de iones de litio para automóviles, en particular para adaptarse a la disminución de la capacidad de las celdas del paquete de baterías en función de la edad. Se consigue un cuidadoso equilibrio entre la autonomía proporcionada al usuario individual y la mejora de la vida útil a largo plazo del paquete de baterías. La siguiente invención, divulgada en las reivindicaciones adjuntas, aborda esta cuestión y proporciona una solución novedosa y no obvia.

Breve sumario de la invención

Se describe un sistema y un procedimiento para mejorar la duración de los ciclos de un paquete de baterías de iones de litio, en particular para adaptarse a la disminución de la capacidad de las celdas del paquete de baterías en función de la edad. Un sistema de gestión para un paquete de celdas de batería, el sistema de gestión incluye un controlador que determina un perfil de carga ajustable para el paquete de celdas de batería, en el que el perfil de carga ajustable incluye un parámetro operacional que identifica un modo de autonomía de conducción de la siguiente operación de un conjunto de modos de autonomía de conducción para el paquete de celdas de batería, en el que cada modo de autonomía de conducción incluye una ventana de estado de carga (SOC) entre un SOC de carga y un SOC de descarga, con el conjunto de modos de autonomía de conducción que incluye un primer modo de autonomía de conducción que tiene una primera ventana de SOC e incluye un segundo modo de autonomía de conducción que tiene una segunda ventana de SOC menor que la primera ventana de SOC; y una o más etapas de transferencia de energía para producir el SOC de carga del modo de autonomía de conducción de la siguiente operación en el paquete de celdas de la batería.

Un sistema de gestión para un paquete de celdas de batería, el sistema de gestión incluye un controlador que determina un perfil de carga ajustable para el paquete de celdas de batería, donde el perfil de carga ajustable incluye: un parámetro operacional que identifica un modo de autonomía de conducción de la próxima operación para el paquete de celdas de batería, donde el modo de autonomía de conducción incluye una ventana de estado de carga (SOC) entre un SOC de carga y un SOC de descarga; y una o más etapas de transferencia de energía para producir el SOC de carga en el paquete de celdas de batería.

Un procedimiento de carga de un paquete de celdas de batería para cargar un paquete de celdas de batería, el procedimiento de carga del paquete de celdas de batería que utiliza un procesador y que incluye: (a) identificar un modo de autonomía de conducción de la próxima operación de un conjunto de modos de autonomía de conducción para el paquete de celdas de la batería, donde cada modo de autonomía de conducción incluye una ventana de estado de carga (SOC) entre un SOC de carga y un SOC de descarga, con el conjunto de modos de autonomía de conducción incluyendo un primer modo de autonomía de conducción que tiene una primera ventana de SOC e incluyendo un segundo modo de autonomía de conducción que tiene una segunda ventana de SOC menor que la primera ventana de SOC; (b) cargar el paquete de celdas de la batería para producir el SOC de carga del siguiente modo de autonomía de conducción; y (c) implementar el plan mediante un cargador acoplado al paquete de celdas de la batería en previsión de un rendimiento posterior a la carga de la siguiente operación identificado por la característica de rendimiento posterior a la carga de la siguiente operación.

Un procedimiento de carga de un paquete de celdas de batería para cargar un paquete de celdas de batería, el procedimiento de carga del paquete de celdas de batería que utiliza un procesador y que incluye: (a) identificar un modo de autonomía de conducción de la siguiente operación para el paquete de celdas de la batería, en el que el modo de autonomía de conducción incluye una ventana de estado de carga (SOC) entre un SOC de carga y un SOC de descarga; (b) cargar el paquete de celdas de la batería para producir el SOC de carga del modo de autonomía de conducción de la siguiente operación; y (c) implementar el plan mediante un cargador acoplado al paquete de celdas de la batería en previsión de una siguiente operación posterior a la carga.

La realización preferente proporciona al menos dos modos al usuario final (en la práctica es probable que haya más de dos modos, como un modo de almacenamiento para el que el SOC (y la frecuencia de recarga, la tasa de carga y similares) está más fuertemente optimizado para el almacenamiento con mucha menos preocupación por la cantidad de energía de descarga disponible en un s Oc particular). Cada uno de estos modos ofrece un rango de conducción diferente para el usuario, variando el SOC al que se carga la batería y/o el SOC al que se descarga. Es decir, la autonomía se basa en la energía de descarga que se basa en la ventana de SOC que se permite. Al proporcionar una ventana de SOC más pequeña y otra más grande, se espera que muchos usuarios elijan a menudo la ventana de SOC más pequeña, que proporciona una vida química más larga. Con el tiempo, el tamaño de la ventana más pequeña aumenta para proporcionar una energía de descarga más consistente (autonomía) al usuario final, que, en la realización preferente, es una autonomía disponible constante en el tiempo.

Las realizaciones preferentes de la presente invención logran sus resultados principalmente a través de la carga con algunos resultados logrados durante la conducción. La carga del SOC durante la conducción no es particularmente relevante en estas implementaciones porque los aumentos significativos del SOC durante la conducción son raros. Hay pequeños aumentos asociados a la regeneración.

Otras ventajas de la presente invención se verán mediante una revisión de la presente divulgación.

Breve descripción de los dibujos

FIG. 1 es un sistema de carga representativo;

FIG. 2 es un diagrama de control del proceso ejemplar;

FIG. 3 es un diagrama de flujo para un sistema de carga;

FIG. 4 es un gráfico de una ventana de SOC variable utilizando un SOC de descarga fijo;

FIG. 5 es un gráfico de una ventana de SOC variable utilizando un SOC de descarga variable;

FIG. 6 es un gráfico que representa el porcentaje de energía de descarga en función del tiempo; y

FIG. 7 es un diagrama de flujo de una realización alternativa del sistema de carga.

Descripción detallada de la invención

Las realizaciones de la presente invención proporcionan un sistema y un procedimiento para un sistema de gestión y un cargador de baterías para mejorar la duración de los ciclos de un paquete de celdas de la batería, en particular para adaptarse a la disminución de la capacidad de las celdas del paquete de baterías en función de la edad. La siguiente descripción se presenta para permitir a un experto en la materia hacer y utilizar la invención y se proporciona en el contexto de una solicitud de patente y sus requisitos. En el texto siguiente, los términos "batería", "celda", "celda de batería" y "paquete de celdas de batería" pueden utilizarse indistintamente y pueden referirse a cualquiera de una variedad de diferentes químicas y configuraciones de celdas recargables, incluyendo, pero no limitado a, iones de litio (por ejemplo, fosfato de hierro de litio, óxido de cobalto de litio, otros óxidos de metal de litio, etc.), polímero de iones de litio, hidruro metálico de níquel, cadmio de níquel, hidrógeno de níquel, zinc de níquel, zinc de plata, u otro tipo/configuración de batería. Varias modificaciones a la realización preferente y a los principios y características genéricas descritas en el presente documento serán fácilmente evidentes para los expertos en la materia. Por lo tanto, la presente invención no pretende limitarse a la realización mostrada, sino que se le debe conceder el mayor alcance posible en consonancia con los principios y características descritos en el presente documento.

La FIG. 1 es una realización preferente para un sistema de control del estado de carga (SOC) 100, como el que puede utilizarse en un vehículo eléctrico que implementa realizaciones preferentes de la presente invención. El sistema 100 incluye una batería 105, un cargador/descargador 110 acoplado a la batería 105 y un sistema de gestión de la batería (BMS) 115 y un subsistema de adquisición y monitorización de datos de la batería 120. Un bus de comunicación 125 acopla el subsistema 120 al BMS 115 y un bus de comunicación 130 acopla el BMS 115 al cargador/descargador 110. Un bus de comunicación 135 acopla los datos de la batería 105 al subsistema 120, y un interruptor opcional 140 interpuesto en serie entre la batería 105 y el cargador/descargador 110. Un subsistema de interfaz de usuario 145 está acoplado al BMS 115 por un bus 150 y a un registro 155 por un bus 160.

La batería 105 se muestra como un grupo de celdas de batería conectadas en serie, sin embargo, la disposición de las celdas puede ser una combinación de celdas conectadas en paralelo/serie de muchas disposiciones diferentes. El cargador/descargador 110 de la realización preferente proporciona la corriente de carga para la batería 105, suministrando o perdiendo corriente según sea necesario. El BMS 115 controla la corriente de carga según un perfil establecido por las realizaciones de la presente invención. El subsistema 120 adquiere los datos deseados, tal como se ha descrito aquí, en relación con la batería 105. Por ejemplo, el voltaje, el SOC, la temperatura y otros datos aplicables utilizados por el BMS 115. En algunas realizaciones, el subsistema 120 puede ser parte del BMS 115 y el BMS 115 puede ser parte del cargador 110. Uno o más de los cargadores 110, el BMS 115 y el subsistema 120 controlan el interruptor 140.

El registro 155 proporciona a un usuario, a través de la interfaz 145, datos de funcionamiento/rendimiento (por ejemplo, información de un sistema de gestión de vehículos, como la autonomía y la eficiencia del vehículo) que preferentemente incluye los kilómetros recorridos por día, así como otros datos e información estadística de rendimiento relevantes para el usuario. El usuario opera la interfaz 145 para establecer, especificar y/o programar un perfil operacional para ser utilizado por el sistema 100. Uno o más componentes del sistema 100 incluyen un procesador y una memoria para almacenar y procesar instrucciones de programa informático ejecutables en el procesador para implementar realizaciones de la presente invención. El código puede ser físicamente parte del BMS 115 o parte del sistema de gestión del vehículo integrado con, o proporcionado además de, los componentes del sistema 100.

Otras implementaciones de la presente invención pueden no ser proporcionadas como parte de un sistema de carga/descarga, pero otras proporcionan un perfil de carga ajustable como se describe en el presente documento para su uso/referencia por el usuario u otro dispositivo, sistema o proceso.

La FIG. 2 es un diagrama de control de proceso ejemplar para un control de descarga/carga 200 utilizado en el sistema 100 mostrado en la FIG. 1. Para simplificar, el control 200 se describe para una realización cuando el sistema 100 se proporciona como parte de un vehículo eléctrico que tiene un paquete de celdas de batería recargable y un perfil de carga ajustable opera con respecto al SOC para el paquete. El control 200 incluye el acceso a una autonomía objetivo requerida 205, como por ejemplo desde la entrada del usuario a través de la interfaz de usuario 145. Además de la autonomía objetivo de 205, el control 200 determina o adquiere información relativa a la eficiencia del vehículo 210. En el caso de un vehículo eléctrico, a diferencia de los litros por 100 kilómetros (1/100km), que es una forma de representar la eficiencia de un motor de gasolina, la eficiencia del vehículo se mide en términos de vatios-hora por kilómetro (Wh/km). El control 200, en el proceso 215, determina un rango de SOC óptimo para alcanzar el objetivo de autonomía del vehículo, dada la eficiencia del vehículo proporcionada, mientras se optimiza la vida del ciclo de la batería.

Aunque el perfil de carga del proceso 215 funciona casi en el mejor de los casos, es deseable proporcionar algún margen operativo por encima del perfil determinado basándose sólo en la autonomía objetivo y algún valor para la eficiencia del vehículo. Hay desviaciones de la autonomía y la eficiencia que pueden determinarse de muchas maneras diferentes, así como algún margen de seguridad de la autonomía predeterminado (por ejemplo, un valor preestablecido de fábrica o por el usuario) para garantizar que el vehículo tenga una capacidad adicional para reducir las posibilidades de quedarse prematuramente sin carga. El control 200 proporciona desviaciones para la autonomía y la eficiencia del vehículo en el proceso 220. El control 200 entonces, en el proceso 225, modifica el perfil optimizado de preservación del ciclo SOC del proceso 215, reoptimizando el perfil de preservación del ciclo SOC al considerar las desviaciones de autonomía y eficiencia del proceso 220.

En funcionamiento, considere el siguiente escenario ejemplar. Un usuario maneja un vehículo eléctrico con una autonomía de 320 km. El usuario planea necesitar el vehículo durante menos de la autonomía máxima, por ejemplo, una autonomía de 160 km. El usuario puede solicitar al control 200 que determine un perfil de preservación del ciclo SOC para proporcionar una autonomía de 160 km con una determinada eficiencia del vehículo. Sin embargo, se corre el riesgo de que el usuario quede tirado en caso de que el alcance real requerido sea mayor que el objetivo. Para proporcionar un margen, hay muchas implementaciones diferentes. Una implementación preferente es que el control 200 determine una distancia media conducida (por ejemplo, a lo largo de un mes, una semana, un único periodo relevante -(día de la semana/fin de semana/vacaciones)) y una desviación estándar para esta media. La desviación estándar puede indicar hasta un 5% de variación posible en la autonomía. Control 200 utilizaría entonces una autonomía objetivo modificada de 168 km en lugar de 160 km. Esto incluye ahora un margen de desviación del alcance. El SOC para 168 km es una cantidad determinada de energía (vatios-hora - Wh). Pero esa determinación supone una determinada eficiencia del vehículo de Wh/km, es decir, que el usuario podrá recorrer realmente 168 km con el número predeterminado de vatios-hora. La eficiencia del vehículo no es constante y varía en función de diferentes factores y del consumo de energía de la batería. Cuando el usuario conduce de forma más agresiva, la eficiencia del vehículo será menor que cuando el usuario conduce de forma más conservadora, a igualdad de otros factores, y el usuario necesitará más energía para recorrer un kilómetro. El control 200 determina una eficiencia media del vehículo durante un período relevante, la utiliza como parte del proceso 210 para determinar la estimación inicial de energía del proceso 215, y determina una desviación estándar de la eficiencia del vehículo y utiliza la desviación como parte del proceso 220 para ajustar la estimación modificada de energía para el rango modificado de 168 km del proceso 225.

LA FIG. 3 es un diagrama de flujo para un proceso de descarga/carga 300 utilizado en el sistema 100 mostrado en la FIG. 1. El proceso 300, adaptado para un uso automotriz, incluye cuatro pasos: especificación del rendimiento previsto del vehículo 305, especificación del rendimiento del paquete de celdas de la batería 310, especificación del plan de descarga/carga 315 y aplicación del plan de descarga/carga 320.

En el paso 305 se obtiene un parámetro operacional que representa los próximos requisitos de funcionamiento previstos para la aplicación (por ejemplo, la autonomía de un vehículo eléctrico). Este parámetro puede identificar muchas cosas diferentes dependiendo de la aplicación y el uso. Para simplificar, la aplicación representativa incluye la carga de paquetes de baterías para el uso de vehículos eléctricos, aunque se entiende que la invención no está limitada de esta manera. Para un vehículo eléctrico, puede haber diferentes parámetros operativos que podrían utilizarse, pero las realizaciones preferentes de la presente invención se centran en la autonomía del vehículo. Específicamente, el paso 305 obtiene un parámetro que representa una autonomía de conducción deseada anticipada, tal como kilómetros. Se trata de un parámetro de anticipación que identifica una autonomía en algún momento futuro, preferiblemente el siguiente ciclo operativo después del siguiente ciclo de carga. El paquete de celdas de la batería se carga periódicamente y las presentes realizaciones controlan un ciclo de carga inmediatamente antes del siguiente uso operativo con el parámetro relevante para ese siguiente uso operativo. Este parámetro operacional puede obtenerse de varias maneras. Por ejemplo, el usuario puede especificar el rango de forma expresa (como por ejemplo mediante una programación semanal o un calendario diario personalizado). Un programa semanal podría ser algo tan simple como identificar una autonomía de 95 km para lunes-viernes y una autonomía de 175 km el sábado y el domingo. Un calendario diario personalizado podría permitir al usuario establecer una autonomía de conducción para cada día como desee. (La interfaz 145 ofrece un mecanismo que permite al usuario revisar y ajustar este parámetro operacional) En algunos casos, el parámetro operacional puede ser total o parcialmente ajustado de forma automática. Por ejemplo, en una realización preferente, el paso 305 procesa el registro del vehículo para determinar los parámetros operativos probables para los días futuros, basándose en el rendimiento pasado real. Esto puede refinarse adecuadamente de varias maneras, como por ejemplo utilizando datos históricos para establecer valores anticipatorios tentativos que tengan márgenes apropiados - el usuario puede aceptar o modificar los valores según lo desee.

En el paso 310, que sigue al paso 305, se determina el rendimiento de la celda de batería para proporcionar los próximos requisitos de funcionamiento previstos, a la vez que se mejora un meta-atributo del paquete de celdas de batería. En el presente contexto, las realizaciones preferentes utilizan el SOC como parámetro de rendimiento de la celda de batería y la duración del ciclo de la batería como meta-atributo. En otras palabras, el paso 310 determina un SOC específico que satisface el parámetro de autonomía deseado mientras mejora la vida útil del ciclo. Podría haber muchos perfiles de SOC diferentes que satisfagan el parámetro de autonomía deseado, pero probablemente un perfil de SOC que satisfaga el parámetro de autonomía deseado y reduzca el impacto de cualquier carga de alto SOC/voltaje en el ciclo de vida. Un punto importante es que el sistema responde dinámicamente a la autonomía y a las características de la batería para optimizar el SOC basándose en el ciclo de vida, que para diferentes s Oc puede dar lugar a diferentes puntos de inicio y final del SOC.

El paso 315, que sigue al paso 310, establece un plan de descarga/carga para el paquete de celdas de batería una vez que se conoce el rango de SOC optimizado. El plan de descarga/carga determina el punto de inicio de SOC y el punto final de SOC para el SOC optimizado del ciclo de vida determinado en el paso 310. Dado que la reducción del impacto del ciclo de vida de la carga puede tener un punto inicial del SOC inferior al SOC actual, en los casos apropiados el plan de descarga/carga incluye una o más etapas de descarga además de una o más etapas de carga. En algunas implementaciones, puede no haber ninguna etapa de descarga.

El paso 320 aplica el plan de descarga/carga establecido en el paso 315 al paquete de celdas de batería. El número y el tipo de perfiles de descarga/carga utilizados se modelan en el paso 315, por lo que el paso 320 puede implementar la carga convencional, la carga rápida u otros perfiles de carga según lo especificado por el plan de descarga/carga.

En una implementación sencilla, el usuario recibe información sobre el comportamiento real de la conducción desde el registro 155 a través de la interfaz 145. El usuario maneja la interfaz 145 para crear el perfil operativo deseado que identifica el número de km que se espera que el vehículo utilice en un día determinado antes de la carga real de ese día. El perfil operativo podría ser un programa diario, semanal, mensual o cualquier otro programa periódico, como se ha indicado anteriormente, y determinado por un usuario (o determinado automáticamente basándose en el historial de conducción, y en algunos casos el usuario revisando/examinando los resultados automáticos para tener en cuenta las variaciones previstas del uso histórico y para ajustar el parámetro operacional como se desee) Una vez que el perfil operacional está disponible, el BMS 115 (que controla el equipo de carga y descarga) determina un nivel de SOC base que cumple con el parámetro operacional mientras minimiza el impacto del ciclo de vida de la carga del paquete de celdas de batería hasta el nivel de SOC base. Se establece un plan de descarga/carga para proporcionar el nivel de base SOC optimizado para las preocupaciones del ciclo de vida. (Por ejemplo, una autonomía de 160 km puede corresponder a una autonomía del 75% al 25% del SOC) Cuando el parámetro de autonomía deseado indica una autonomía deseada mayor, el alcance del SOC también aumenta. (Por ejemplo, puede convertirse en una autonomía del 80% al 25% de SOC para un requisito de autonomía de 175 km) En muchos casos, el SOC aplicado puede diferir del SOC de nivel básico determinado. Como indica la FIG. 2 , en algunas realizaciones es deseable añadir un margen al nivel de base SOC. Como el ejemplo de la FIG. 2 ilustra, una de las causas del margen es tener en cuenta las variaciones del mundo real en la autonomía de conducción según los datos históricos. Este margen, al igual que el parámetro operacional, puede determinarse en períodos que coincidan con los parámetros operativos determinados. Para los parámetros operativos semanales, el margen refleja estos períodos. En otros casos, el margen puede utilizarse para compensar la edad de la batería. A medida que las celdas de la batería envejecen, la capacidad disminuye. En la práctica, esto significa que se desea un rango de SOC más amplio para cumplir los mismos objetivos de autonomía del vehículo que se cumplían con un rango de SOC más estrecho cuando las celdas de la batería eran más nuevas. Los vehículos eléctricos tienen otras necesidades de energía variable además de proporcionar la misión principal de kilometraje. Es preferible tener en cuenta las necesidades/deseos del usuario en cuanto a control de la temperatura y la humedad y añadir un margen adecuado al nivel básico de la gama SOC. El control de la temperatura y la humedad son ejemplos específicos de usos auxiliares de la carga almacenada en el paquete de celdas de la batería. Otros usos auxiliares pueden incluir la refrigeración y la calefacción de las celdas de la batería y otros factores ambientales controlados por el usuario (por ejemplo, las luces internas/externas, los sistemas de audio y otras cargas que utilizan la carga en el vehículo) El uso real o histórico de un usuario sirve para establecer el margen y el rango de SOC real.

Una vez que se establece el SOC real, se crea el plan de descarga/descarga para proporcionar una carga suficiente al tiempo que se reduce el impacto del ciclo de carga en el ciclo de vida. El plan incluye los puntos SOC de inicio y finalización deseados. Se utilizan varias etapas de descarga/carga para cumplir con el rango de SOC real.

En otras implementaciones, un usuario puede proporcionar una ventana de rango en lugar de un objetivo particular. Por ejemplo, el usuario puede proporcionar el sistema con una autonomía baja-alta de 160-195 km. La determinación de la ventana de energía/SOC puede variar en función de uno o más factores adicionales, como la edad (a medida que la batería envejece y su capacidad se desvanece, se requiere una ventana de SOC más amplia para lograr el mismo objetivo de autonomía), la temperatura y la humedad - las cargas auxiliares (por ejemplo, la refrigeración y la calefacción del paquete de baterías) - el margen sería más amplio para los climas extremadamente fríos y cálidos (el historial de temperatura anterior durante un mes más o menos ayudaría a determinar esto). Además, también podría hacer un seguimiento de las cargas auxiliares medias durante un periodo).

En algunas realizaciones, el sistema y el procedimiento consultan al usuario cuántos kilómetros se conducen habitualmente (para calcular el rango óptimo de SOC requerido). En función de lo que el conductor conduce realmente, se establece un determinado factor de ponderación entre lo real y lo deseado. El sistema determina una ponderación adicional entre lo solicitado y lo calculado automáticamente por el sistema. Por ejemplo, cuando el sistema calcula que el usuario necesita 95 km de autonomía, y el usuario introduce 320 km como objetivo de autonomía debido a un viaje previsto, para determinar cuánto SOC o energía adicional se necesita, el sistema tiene en cuenta la eficiencia pasada del vehículo (Wh/km) para determinar cuánta energía más se necesitaría para cumplir el objetivo de 320 km y, a continuación, carga hasta el nivel de SOC adecuado.

La FIG. 4 es un gráfico 400 de una ventana de SOC variable utilizando un SOC de descarga fijo. La ventana de SOC variable es una diferencia entre un SOC de carga 405 y un SOC de descarga 410. La capacidad de una celda 415 varía con el tiempo y es una función de la ventana SOC variable. FIG. 5 es un gráfico 500 de una ventana de SOC variable alternativo utilizando un SOC de descarga variable. La ventana de SOC variable alternativa es una diferencia entre un SOC de carga 505 y un SOC de descarga 510. La capacidad de la celda 515 varía con el tiempo y es una función de la ventana SOC variable alternativa. Obsérvese que el eje izquierdo (SOC (%)) de los gráficos representa una escala para el SOC de carga y el SOC de descarga, mientras que el eje derecho (capacidad (%)) representa una escala independiente para la capacidad de la celda.

El gráfico 400 y el gráfico 500 difieren en un par de aspectos, especialmente en que el SOC de descarga 410 es constante en aproximadamente cero SOC mientras que el SOC de descarga 510 varía con el tiempo desde un valor inicial de aproximadamente 10% hasta aproximadamente cero SOC a los dos años. La variación de la carga SOC es diferente en los gráficos. Sin embargo, en ambos casos, las ventanas SOC de carga variable comienzan en el 80% y se amplían con el tiempo. Además, la capacidad de las celdas a lo largo del tiempo es prácticamente la misma en ambos gráficos. La capacidad de la celda comienza en torno al 100% de su capacidad en el año cero y se sitúa en torno al 80% de su capacidad después de unos cinco años.

Se trata de valores representativos que proporcionan una visión general de la metodología. Hay muchas maneras diferentes de hacer que una ventana de S^o C inicial cambie con el tiempo, las tasas de variación del SOC de carga y del SOC de descarga definen la forma precisa de la ventana en expansión. En contraste con las realizaciones preferentes mostradas en los gráficos de la FIG. 4 y FIG. 5, un perfil de carga convencional utiliza un valor constante tanto para el SOC de carga como para el SOC de descarga (como el SOC de carga constante 420) que produce una ventana de SOC constante. Las características específicas de la capacidad de la celda cambian con el tiempo y dependen de un gran número de factores. Sin embargo, en general, para valores típicos de SOC de carga y SOC de descarga constantes, un gráfico de la capacidad de la celda 425 frente al tiempo cae por debajo de la capacidad 415 y la capacidad 515 de la FIG. 4 y FIG. 5. En muchos casos, muy por debajo incluso de los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) relativamente jóvenes.

La FIG. 6 es un gráfico 600 que representa el porcentaje de batería/energía de descarga en función del tiempo. Hay dos conjuntos de gráficos. Un primer conjunto representa una ventana SOC fija con ventanas de diferentes tamaños. Este primer conjunto representa un sistema de carga de SOC fijo e incluye un gráfico de SOC fijo de alta energía 605, un gráfico de SOC fijo de energía media 610 y un gráfico de SOC fijo de baja energía 615. El segundo conjunto representa un sistema de carga de SOC variable e incluye un gráfico de SOC variable de modo extendido 620 y un gráfico de SOC variable de modo estándar 625.

El primer conjunto son todos los sistemas de ventanas de SOC fijas, y representan un sistema como el mostrado por el SOC de carga 420 y la capacidad de la celda 425 en la FIG. 4. Una diferencia entre el gráfico 605, el gráfico 610 y el gráfico 615 es el tamaño de la ventana SOC fija asociada a cada una. En todos los casos, la energía de descarga disponible comienza a degradarse desde el principio y continúa de forma generalmente lineal. En algunos casos, los gráficos del primer conjunto convergen y se cruzan.

El segundo conjunto representa una colección de gráficos para un sistema SOC variable. El sistema SOC variable incluye configuraciones que producen tanto el gráfico 620 como el gráfico 625. En una realización preferente, el SOC de carga real para el gráfico 620 se fija en un nivel aproximadamente igual al SOC de carga fija para el gráfico 605. Como se explica más adelante, la energía disponible de la batería representada por el gráfico 620 no disminuye tan rápido como la disminución de energía asociada al gráfico 605. Como se muestra, el gráfico 620 comienza a descender de forma constante a partir del año cero.

El gráfico 625 es diferente en el sentido de que muestra una disponibilidad de energía bastante constante durante un período inicial, y luego comienza a disminuir a una tasa que es casi paralela al gráfico 620. El gráfico 625 se consigue controlando el tamaño de la ventana de SOC variable de forma que la batería proporcione energía constante durante el periodo deseado. El punto de inflexión en el gráfico 625 en el que la energía disponible comienza a disminuir es un punto en el que la ventana de SOC ya no se amplía, bien porque ya no puede ampliarse (por ejemplo, el SOC de carga está al máximo y el de descarga al mínimo) o por otras consideraciones que limitan la posibilidad o la conveniencia de ampliar la ventana de SOC.

El sistema de carga en estas realizaciones preferentes está configurado para proporcionar al usuario una elección de modos de autonomía de conducción - un modo extendido que proporciona la máxima distancia y un modo estándar que proporciona una autonomía limitada que ayuda a preservar la disponibilidad de energía de la batería con el paso del tiempo. El modelo para el gráfico 600 asume que un usuario selecciona el modo estándar una porción predominante del tiempo, tal vez alrededor de 2/3 del tiempo o más. El hecho de que el usuario seleccione este modo la mayor parte del tiempo (por ejemplo, durante la semana) y elija el modo ampliado asociado a el gráfico 620 con poca frecuencia, en el mejor de los casos (algunos fines de semana), es la razón por la que el gráfico 620 no disminuye tan rápidamente como el gráfico 605. En el SOC fijo, la batería pasa efectivamente el 100% del tiempo en ese modo de autonomía.

La autonomía se ha utilizado en un par de contextos diferentes en el presente documento. En un contexto, representa una diferencia entre alta y baja energía, alta y baja capacidad, y similares. En otro contexto, la autonomía se refiere a la distancia total recorrida. En un vehículo eléctrico, la energía equivale a la distancia. Así, una realización preferente identifica la selección de uno de los gráficos 620 y 625 como una selección de modo de autonomía de conducción.

El gráfico 630, similar al gráfico 625, representa una realización alternativa de la presente invención. El gráfico 630 es también un gráfico de ventana SOC de modo estándar. Se diferencia del gráfico 625 en que la ventana de carga variable se abrió más lentamente en el gráfico 630 que en el 625. La consecuencia de esto es una mejor disponibilidad de energía a lo largo del tiempo en comparación con una ventana de SOC fija (por ejemplo, el gráfico 610), pero no un rendimiento tan bueno como la expansión de la ventana de SOC al ritmo reflejado por el gráfico 625. Las razones por las que un usuario puede elegir el gráfico 630 sobre el gráfico 625 incluyen una degradación anual más consistente con el gráfico 630 o en algunas implementaciones puede haber un punto de cruce para la capacidad de energía de descarga. En algunas realizaciones, el gráfico 620 puede incluir una ventana de SOC variable asociada en lugar de la ventana de SOC fija descrita.

La FIG. 7 es un diagrama de flujo para una realización alternativa del proceso de carga 700. El proceso 700 comienza con el paso 705 para que el usuario seleccione un modo de autonomía de conducción para el siguiente ciclo de carga. Como se señala en el presente documento, es parte de la realización preferente para el usuario seleccionar la ventana de SOC variable del modo de autonomía de conducción estándar mucho más a menudo que la ventana de SOC asociado con la autonomía extendida. La implementación preferente incluye una evaluación del estado de supervisión para garantizar que el sistema vuelva a la selección del modo estándar preferido (o modo de almacenamiento) en caso de que el usuario no interactúe específicamente con el sistema y elija positivamente un modo alternativo. Como ayuda al usuario en estas interacciones, una realización preferente permite que el usuario establezca y configure remotamente el modo de rango de conducción además de otras interacciones.

Tras el paso 705, el proceso 700 comprueba qué modo se ha seleccionado en el paso 710. El proceso 700 se bifurca en el paso 710 en función del resultado de la prueba. La rama "SÍ" (es decir, el usuario seleccionó el modo estándar de la ventana SOC) se describe a continuación porque se prevé que sea la selección más frecuente.

Después de que la prueba del paso 710 sea "SÍ", el proceso 700 procede al paso 715 para determinar un tamaño específico de la ventana variable SOC. Como se ha señalado en este documento, la metodología general de la realización preferente es aumentar la ventana SOC consistente con el objetivo de proporcionar una energía de descarga constante durante el mayor tiempo posible. Esta selección puede ser realizada por el usuario o determinada automáticamente por el sistema basándose en los patrones de uso del conductor/vehículo. Hay muchos mecanismos diferentes que pueden utilizarse para determinar el tamaño de la ventana del SOC. Por ejemplo, los cambios en la ventana de SOC podrían basarse en estimaciones internas de desvanecimiento de la capacidad mediante la comparación del cambio de SOC con los Ah de descarga (capacidad Ah calculada que refleja, in situ, la capacidad/edad), el tiempo, los km recorridos, el número de ciclos de la batería y el cambio en la impedancia de la batería, los Ah o Wh de carga o descarga total y la autonomía de conducción, y similares.

El paso 720, que sigue al paso 715, establece entonces el SOC de carga para el sistema de almacenamiento de energía (ESS) basado en la ventana de SOC variable deseada. Por lo general, el ESS se carga hasta el nivel deseado para establecer el ESS, pero como se indica en el presente documento, a veces puede ser deseable descargar el ESS para llegar a la s Oc de carga adecuada. Hay situaciones en las que puede ser mejor para el ESS dejar que la carga almacenada se disipe de forma natural, mientras que en otras aplicaciones puede ser mejor controlar una descarga hasta el nivel deseado.

Tras el paso 720, en el paso 725 el proceso 700 monitoriza el funcionamiento del ESS para asegurar que la energía del ESS no cae por debajo del SOC de descarga. Para aquellas implementaciones en las que el SOC de descarga es cero (por ejemplo, FIG. 4), esto no es necesario. (Sin embargo, por razones prácticas, incluyendo la seguridad, se prefiere gestionar activamente el ESS cuando el SOC de descarga se acerca a cero. Tras el paso 725, y el final del accionamiento posterior a la carga tal y como se ha configurado en el modo estándar, el proceso 700 vuelve al paso 705 para la selección del siguiente modo de autonomía de conducción (el establecido por defecto para el modo estándar).

De vuelta a la prueba en el paso 710, en el caso de que el operador haya seleccionado un modo distinto al modo estándar SOC variable, el proceso 700 se ramifica al paso 730. El paso 730 establece el SOC apropiado para el modo de carga del rango de conducción alternativo seleccionado (que puede incluir una ventana de SOC fija). El proceso 700 vuelve al paso 705 tras la finalización de la operación en el modo de autonomía de conducción alternativo.

Como se describe en el presente documento, el modo estándar de la ventanilla SOC variable es una ventanilla más pequeña que la otra ventanilla (o ventanillas) y está destinada a ser seleccionada más a menudo que la(s) ventanilla(s) más grande(s) cuando el vehículo está en uso regular. La ventana más pequeña se establece para tener una vida química más larga. Con el tiempo, el tamaño de la ventana más pequeña aumenta para proporcionar una energía de descarga más consistente (rango de impulso) al operador. En las realizaciones preferentes, se da el caso de que la ventana más pequeña nunca es tan grande como la ventana SOC más grande. Una de las razones es que el modo estándar de la ventana SOC variable podrá aprovechar la regeneración de energía. Un ESS completamente cargado no puede ser cargado más por el sistema de regeneración. Así, el modo estándar de ventana SOC variable carga a un compromiso de capacidad de regeneración y alcance. El límite de la ventana más pequeña es la ventana más grande.

US Patent 7.629.773, expedida el 8 de diciembre de 2009, describe un procedimiento y un aparato que permite a un usuario final optimizar el rendimiento de un vehículo totalmente eléctrico o híbrido y su sistema de carga para un modo de funcionamiento deseado. El sistema de esta invención incluye múltiples modos de carga/operación entre los que el usuario puede seleccionar. Cada modo de carga/operación controla el voltaje de corte utilizado durante la carga y la temperatura de mantenimiento del paquete de baterías, esos modos incluyen un modo estándar, un modo de almacenamiento, un modo de autonomía de conducción extendido y un modo de rendimiento. Una mejora novedosa y no obvia de esa invención incluye el uso de un modo de rango preestablecido además de uno o más de los modos divulgados. Este modo de rango preestablecido incluiría un modelo en el que un usuario establece/selecciona un número para el rango deseado con el sistema determinando un perfil de energía para el modo seleccionado (y puede incluir un margen de reserva como se describe aquí), o el sistema determina para el usuario, un rango específico particular. Las realizaciones de la presente invención también pueden utilizarse con uno o más de los modos implementados.

El sistema anterior se ha descrito en la realización preferente de un sistema de carga eléctrica para automóviles (EV). El sistema, el procedimiento y el producto de programa informático descritos en esta solicitud pueden, por supuesto, estar incorporados en hardware; por ejemplo, dentro de una Unidad Central de Procesamiento ("CPU"), un microprocesador, un microcontrolador, un Sistema en Chip o cualquier otro dispositivo programable, o acoplados a ellos. Además, el sistema, el procedimiento y el producto de programa informático pueden estar incorporados en un software (por ejemplo, código legible por ordenador, código de programa, instrucciones y/o datos dispuestos en cualquier forma, como lenguaje de fuente, objeto o máquina) dispuesto, por ejemplo, en un medio utilizable por ordenador (por ejemplo, legible) configurado para almacenar el software. Dicho software permite el funcionamiento, la fabricación, el modelado, la simulación, la descripción y/o la prueba de los aparatos y procesos descritos en el presente documento. Por ejemplo, esto puede lograrse mediante el uso de lenguajes de programación generales (por ejemplo, C, C++), bases de datos GDSII, lenguajes de descripción de hardware (HDL), incluyendo Verilog HDL, VHDL, AHDL (Altera HDL), etc., u otros programas disponibles, bases de datos, nanoprocesamiento y/o herramientas de captura de circuitos (es decir, esquemáticos). Dicho software puede disponerse en cualquier medio conocido utilizable por ordenador, incluyendo semiconductores (Flash, o EEPROM, ROM), disco magnético, disco óptico (por ejemplo, CD-ROM, DVD-ROM, etc.) y como señal de datos informáticos incorporada en un medio de transmisión utilizable por ordenador (por ejemplo, legible) (por ejemplo, onda portadora o cualquier otro medio, incluyendo un medio digital, óptico o de base analógica). Así, el software puede transmitirse a través de redes de comunicación, incluidas Internet e intranets. Un sistema, un procedimiento, un producto de programa informático y una señal propagada plasmados en software pueden incluirse en un núcleo de propiedad intelectual de semiconductores (por ejemplo, plasmados en HDL) y transformarse en hardware en la producción de circuitos integrados. Además, un sistema, un procedimiento, un producto de programa informático y una señal de propagación, tal como se describe en el presente documento, pueden incorporarse como una combinación de hardware y software.

Una de las implementaciones preferentes de la presente invención es como una rutina en un sistema operativo compuesta por pasos de programación o instrucciones residentes en una memoria de un sistema informático, como es bien sabido, durante las operaciones del ordenador. Hasta que el sistema informático lo requiera, las instrucciones del programa pueden almacenarse en otro medio legible, por ejemplo, en una unidad de disco, o en una memoria extraíble, como un disco óptico para su uso en una entrada de ordenador CD ROM u otro sistema de memoria portátil para su uso en la transferencia de los pasos de programación a una memoria integrada utilizada en el cargador. Además, las instrucciones del programa pueden almacenarse en la memoria de otro ordenador antes de su uso en el sistema de la presente invención y transmitirse a través de una LAN o una WAN, como Internet, cuando lo requiera el usuario de la presente invención. Un experto en la materia debería apreciar que los procesos que controlan la presente invención son capaces de ser distribuidos en forma de medios legibles por ordenador en una variedad de formas.

Se puede utilizar cualquier lenguaje de programación adecuado para implementar las rutinas de la presente invención, incluyendo C, C++, Java, lenguaje ensamblador, etc. Se pueden emplear diferentes técnicas de programación, como las procedimentales u orientadas a objetos. Las rutinas pueden ejecutarse en un único dispositivo de procesamiento o en varios procesadores. Aunque los pasos, operaciones o cálculos pueden presentarse en un orden específico, este orden puede cambiarse en diferentes realizaciones. En algunas realizaciones, los múltiples pasos mostrados como secuenciales en esta especificación pueden realizarse al mismo tiempo. La secuencia de operaciones aquí descrita puede ser interrumpida, suspendida o controlada de otro modo por otro proceso, como un sistema operativo, un kernel y similares. Las rutinas pueden operar en un entorno de sistema operativo o como rutinas independientes que ocupan todo, o una parte sustancial, del procesamiento del sistema.

Un "medio legible por ordenador" para los fines de las realizaciones de la presente invención puede ser cualquier medio que pueda contener, almacenar, comunicar, propagar o transportar el programa para su uso por o en conexión con el sistema de ejecución de instrucciones, aparato, sistema o dispositivo. El medio legible por ordenador puede ser, sólo a modo de ejemplo, pero sin limitación, un sistema, aparato, dispositivo, medio de propagación, memoria de ordenador o sistema electrónico, magnético, óptico, electromagnético, infrarrojo o semiconductor.

Un "procesador" o "proceso" incluye cualquier sistema de hardware y/o software, mecanismo o componente que procesa datos, señales u otra información. Un procesador puede incluir un sistema con una unidad central de procesamiento de propósito general, múltiples unidades de procesamiento, circuitos dedicados para lograr la funcionalidad u otros sistemas. El tratamiento no tiene por qué limitarse a un lugar geográfico ni tener limitaciones temporales. Por ejemplo, un procesador puede realizar sus funciones en "tiempo real", "fuera de línea", en un "modo por lotes", etc. Partes del procesamiento pueden realizarse en diferentes momentos y en diferentes lugares, por diferentes (o los mismos) sistemas de procesamiento.

La referencia a lo largo de esta especificación a "una realización", "la realización" o "una realización específica" significa que un rasgo, estructura o característica particular descrita en relación con la realización está incluida en al menos una realización de la presente invención y no necesariamente en todas las realizaciones. Por lo tanto, las apariciones respectivas de las frases "en una realización", "en la realización" o "en una realización específica" en varios lugares a lo largo de esta especificación no se refieren necesariamente a la misma realización. Además, los rasgos, estructuras o características particulares de cualquier realización específica de la presente invención pueden combinarse de cualquier manera adecuada con una o más de otras realizaciones.

Las realizaciones de la invención pueden implementarse utilizando un ordenador digital de propósito general programado, utilizando circuitos integrados de aplicación específica, dispositivos lógicos programables, matrices de compuertas programables en campo, pueden utilizarse sistemas, componentes y mecanismos ópticos, químicos, biológicos, cuánticos o de nanoingeniería. En general, las funciones de la presente invención pueden lograrse por cualquier medio conocido en la técnica. Se pueden utilizar sistemas, componentes y circuitos distribuidos o en red. La comunicación, o transferencia, de datos puede ser por cable, inalámbrica o por cualquier otro medio.

Además, cualquier flecha de señalización en los dibujos/figuras debe considerarse sólo como ejemplar, y no limitante, a menos que se indique específicamente lo contrario. Además, el término "o", tal y como se utiliza en este documento, suele significar "y/o", a menos que se indique lo contrario. También se considerará que se anotan las combinaciones de componentes o pasos, cuando se prevea que la terminología hace que la capacidad de separar o combinar no esté clara.

Tal y como se utiliza en la descripción del presente documento y en las reivindicaciones que siguen, "un", "una" y "el" incluyen referencias plurales a menos que el contexto dicte claramente lo contrario. Además, tal y como se utiliza en la descripción y en las reivindicaciones siguientes, el significado de "en" incluye "en" y "sobre" a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

La descripción anterior de las realizaciones ilustradas de la presente invención, incluyendo lo descrito en el Resumen, no pretende ser exhaustiva ni limitar la invención a las formas precisas aquí divulgadas. Las realizaciones específicas y los ejemplos de la invención se describen aquí sólo con fines ilustrativos.

Por lo tanto, aunque la presente invención se ha descrito aquí con referencia a realizaciones particulares de la misma, el alcance de la invención debe determinarse únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (34)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de gestión (100) para un paquete de celdas de batería (105), el sistema de gestión comprende: un cargador/descargador (110) acoplado al paquete de celdas de batería (105),

un controlador (115) acoplado al cargador/descargador (110) para controlar la corriente de carga, y un subsistema de adquisición y supervisión de datos de la batería (120) acoplado al controlador (115) para adquirir datos relativos al paquete de celdas de batería (105),

el controlador (115) está configurado para determinar un perfil de carga ajustable para el paquete de celdas de batería (105), donde el controlador (115) incluye un procesador y una memoria que almacena instrucciones de programa de ordenador ejecutables en el procesador y está configurado para:

obtener un parámetro operacional que represente un requisito de siguiente operación anticipado para el siguiente ciclo operacional después del siguiente ciclo de carga para el paquete de celdas de batería;

determinar un siguiente plan de ciclo para el paquete de celdas de batería (105) determinando un punto inicial y un punto final para un estado de carga de las celdas de la batería, SOC, que proporcione el siguiente requisito de operación anticipado mientras se reduce simultáneamente el impacto del SOC para el paquete de celdas de batería (105) en la vida útil del ciclo del paquete de celdas de batería (105) y en el que la vida útil del ciclo se mide sobre una pluralidad de ciclos aplicados, en donde dicho SOC para el paquete de celdas de batería (105) proporciona un margen adicional para una o más funciones adicionales, en donde dicha una o más funciones adicionales incluyen la compensación de una capacidad decreciente de las celdas de batería debido a la edad de las celdas de batería del paquete de celdas de batería (105) y

establecer un plan de descarga/carga que incluya una o más etapas para producir el punto inicial del SOC de la celda de la batería para dicho siguiente plan de ciclo , en el que el plan de descarga/carga incluye una o más etapas de descarga si el punto inicial del SOC de la celda de la batería es inferior a un SOC actual de la celda de la batería.

2. El sistema de gestión de la reivindicación 1, en el que dicho parámetro operacional incluye una autonomía de conducción deseada, y en el que dicho plan de ciclo siguiente incluye una ventana de SOC para proporcionar dicha autonomía de conducción deseada, el punto inicial incluye un punto de inicio de SOC, y el punto final incluye un punto de finalización de SOC.

3. El sistema de gestión de la reivindicación 1, en el que dicho cargador (110) responde a dicho perfil de carga ajustable y en el que dicho perfil de carga ajustable es implementado por el cargador (110) en previsión de una operación de poscarga asociada a dicho parámetro operacional; y en el que dicho sistema de gestión comprende además una interfaz de usuario (145) acoplada al controlador (115) para introducir dicho parámetro operacional.

4. El sistema de gestión de la reivindicación 3, en el que dicha interfaz de usuario (145) define dicho parámetro operacional como parte de una programación para múltiples períodos operacionales del sistema (100).

5. El sistema de gestión de la reivindicación 4, en el que dicha programación incluye un calendario que identifica un parámetro operacional diario personalizado, cada parámetro operacional diario utilizado como dicho parámetro de funcionamiento para cargar para el siguiente día de funcionamiento.

6. El sistema de gestión de la reivindicación 3, en el que dicho parámetro operacional incluye una ventana de autonomía de conducción requerida que identifica un valor alto para dicho parámetro operacional y un valor bajo para dicho parámetro operacional.

7. El sistema de gestión de la reivindicación 1, en el que dicha una o más funciones adicionales incluyen además la compensación de las necesidades previstas de control ambiental del automóvil, o los usos auxiliares previstos.

8. El sistema de gestión de la reivindicación 3, en el que dicho paquete de celdas de batería (105) forma parte de una fuente de alimentación de un vehículo eléctrico y en el que dicho parámetro operacional incluye una autonomía de conducción deseada y dicho SOC incluye el SOC del paquete de celdas de batería (105) para proporcionar dicha autonomía de conducción deseada; y

que comprende además una interfaz de usuario (145) acoplada al controlador (115) para introducir dicha autonomía de conducción deseada; y

que comprende además un registro (155), acoplado a dicha interfaz de usuario (145), para proporcionar datos históricos para dicha autonomía de conducción deseada y para una autonomía de conducción real; en el que se determina un factor de ponderación entre dicha autonomía de conducción histórica deseada y dicha autonomía de conducción real proporcionado por dicho registro (155) para establecer un parámetro operacional efectivo basado en dicho parámetro operacional introducido a través de dicha interfaz de usuario (145).

9. Un procedimiento de carga de un paquete de celdas de batería para cargar un paquete de celdas de batería (105), el procedimiento de carga del paquete de celdas de batería utilizando un cargador/descargador (110) acoplado al paquete de celdas de batería (105) y un controlador (115) acoplado al cargador/descargador (110) para controlar la corriente de carga y configurado para determinar un perfil de carga ajustable para el paquete de celdas de batería (105), el procedimiento comprende los pasos de:

a) obtención de un parámetro operacional que represente un requisito de siguiente operación anticipado para el siguiente ciclo operacional tras el siguiente ciclo de carga del paquete de celdas de batería (105); b) determinar un punto inicial y un punto final para un estado de carga de las celdas de la batería, SOC, que proporcione el siguiente requisito de operación previsto, reduciendo al mismo tiempo el impacto del SOC para el paquete de celdas de batería (105) en la vida útil del ciclo del paquete de celdas de batería (105) y en el que dicha vida útil del ciclo se mide sobre una pluralidad de ciclos aplicados, donde dicho SOC para el paquete de celdas de batería (105) proporciona un margen adicional para una o más funciones adicionales, donde dicha una o más funciones adicionales incluyen la compensación de una capacidad decreciente de las celdas de batería debido a la edad de las celdas de batería del paquete de celdas de batería (105);

c) establecer un plan de descarga/carga para el paquete de celdas de batería (105), en el que el plan de descarga/carga incluye una o más etapas de descarga si el punto inicial del SOC de las celdas de la batería es inferior a un SOC actual de las celdas de la batería; y

(d) la implementación de dicho plan por parte del cargador (110) para producir el punto inicial del SOC de las celdas de la batería para dicho plan.

10. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que dicho parámetro operacional incluye una autonomía de conducción deseada, y en el que dicho plan de descarga/carga incluye una ventana de SOC para proporcionar dicha autonomía de conducción deseada, el punto inicial incluye un punto de inicio de SOC, y el punto final incluye un punto de finalización de SOC.

11. El procedimiento de la reivindicación 9 comprende además una interfaz de usuario (145) acoplada al controlador (115) para introducir dicho parámetro operacional.

12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que dicha interfaz de usuario (145) define dicho parámetro operacional como parte de una programación para múltiples periodos operacionales de un sistema automotriz.

13. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que dicha programación incluye un calendario que identifica un parámetro operacional personalizado para cada día, dicho parámetro operacional personalizado utilizado como dicho parámetro operacional para cargar para el día respectivo.

14. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que dicho parámetro operacional incluye una ventana de autonomía de conducción requerida que identifica un valor alto para dicho parámetro operacional y un valor bajo para dicho parámetro operacional.

15. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que dicha una o más funciones adicionales incluyen además la compensación de las necesidades previstas de control ambiental del automóvil, o de los usos auxiliares previstos.

16. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que dicho paquete de celdas de batería (105) forma parte de una fuente de alimentación de un vehículo eléctrico y en el que dicho parámetro operacional incluye una autonomía de conducción deseada y dicho SOC incluye el SOC del paquete de celdas de batería (105) para proporcionar dicha autonomía de conducción deseada; y

que comprende además una interfaz de usuario (145) acoplada al controlador (115) para introducir dicho parámetro operacional; y

que comprende además un registro (155) , acoplado a dicha interfaz de usuario (145), para proporcionar datos históricos para dicho parámetro operacional;

en el que se determina una ponderación entre dicho parámetro operacional introducido a través de dicha interfaz de usuario (145) y dicho parámetro operacional proporcionado por dicho registro (155) para establecer un parámetro operacional efectivo.

17. El sistema de gestión de la reivindicación 1, en el que dicho parámetro operacional identifica un siguiente modo de autonomía de conducción de un conjunto de modos de autonomía de conducción para el paquete de celdas de batería (105), en el que cada uno de dichos modos de autonomía de conducción incluye una ventana de SOC entre un SOC de carga y un SOC de descarga, con dicho conjunto de modos de autonomía de conducción incluyendo un primer modo de autonomía de conducción que tiene una primera ventana de SOC e incluyendo un segundo modo de autonomía de conducción que tiene una segunda ventana de SOC menor que dicha primera ventana de SOC y en el que dicha una o más etapas incluyen una o más etapas de transferencia de energía para producir dicho SOC de carga de dicho siguiente modo de autonomía de conducción en el paquete de celdas de batería (105).

18. El sistema de gestión de la reivindicación 17, en el que dicha segunda ventana SOC varía con el tiempo.

19. El sistema de gestión de la reivindicación 18, en el que dicha primera ventana SOC es constante en el tiempo.

20. El sistema de gestión de la reivindicación 18 en el que dicha variación de dicha segunda ventana SOC aumenta con el tiempo.

21. El sistema de gestión de la reivindicación 20 en el que dicho SOC de descarga o dicho SOC de carga de dicha segunda ventana de SOC es constante en el tiempo.

22. El sistema de gestión de la reivindicación 20, en el que una variación de dicho SOC de carga en el tiempo es diferente de una variación de dicho SOC de descarga en el tiempo.

23. El sistema de gestión de la reivindicación 18, en el que dicha variación en dicha segunda ventana de SOC está configurada para producir una energía de descarga constante del paquete de celdas de batería después de la carga durante una pluralidad de años operativos, mientras que una capacidad energética total del paquete de celdas de batería (105) disminuye durante dicha pluralidad de años operativos.

24. El sistema de gestión de la reivindicación 23, en el que dicha variación en dicha segunda ventana de SOC responde a uno o más parámetros seleccionados del grupo que consiste en el desvanecimiento de la capacidad estimada del pack, los Ah de descarga, el tiempo, los kilómetros recorridos, el número de ciclos de carga del pack, el cambio en la impedancia del pack, los Ah de carga/descarga total, los Wh de carga/descarga total, la autonomía de conducción del vehículo, las horas de uso y combinaciones de los mismos.

25. El sistema de gestión de la reivindicación 17, en el que dicho segundo modo de autonomía de conducción se selecciona N% de los ciclos de carga, en el que N% está en un rango entre 66,67% y 100%.

26. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que dichos parámetros operacionales identifican un siguiente modo de autonomía de conducción de un conjunto de modos de autonomía de conducción para el paquete de celdas de batería (105), en el que cada uno de dichos modos de autonomía de conducción incluye una ventana de SOC entre un SOC de carga y un SOC de descarga, con dicho conjunto de modos de autonomía de conducción incluyendo un primer modo de autonomía de conducción que tiene una primera ventana de SOC e incluyendo un segundo modo de autonomía de conducción que tiene una segunda ventana de SOC menor que dicha primera ventana de SOC.

27. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que dicha segunda ventana SOC varía con el tiempo.

28. El procedimiento de la reivindicación 27 en el que dicha primera ventana SOC es constante en el tiempo.

29. El procedimiento de la reivindicación 27 en el que dicha variación de dicha segunda ventana SOC aumenta con el tiempo.

30. El procedimiento de la reivindicación 29 en el que dicho SOC de descarga o dicho SOC de carga de dicha segunda ventana de SOC es constante en el tiempo.

31. El procedimiento de la reivindicación 29, en el que una variación de dicho SOC de carga en el tiempo es diferente de una variación de dicho SOC de descarga en el tiempo.

32. El procedimiento de la reivindicación 27, en el que dicha variación en dicha segunda ventana de SOC está configurada para producir una energía de descarga constante del paquete de celdas de batería (105) después de la carga a lo largo de una pluralidad de años operativos, mientras que una capacidad energética total del paquete de celdas de batería (105) disminuye a lo largo de dicha pluralidad de años operativos.

33. El procedimiento de la reivindicación 32, en el que dicha variación en dicha segunda ventana de SOC responde a uno o más parámetros seleccionados del grupo que consiste en el desvanecimiento de la capacidad estimada del pack, los Ah de descarga, el tiempo, los kilómetros recorridos, el número de ciclos de carga del pack, el cambio en la impedancia del pack, los Ah de carga/descarga total, los Wh de carga/descarga total, la autonomía de conducción del vehículo, las horas de uso y combinaciones de los mismos.

34. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que dicho segundo modo de autonomía de conducción se selecciona N% de los ciclos de carga, en el que N% está en un rango entre 66,67% y 100%.