ES2884140T3 - Unidad y sistema de equilibrado inalámbrico para celda de batería - Google Patents

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Abstract

Unidad de equilibrado (U2) a bordo de una celda de batería (C2), que comprende: - medios para medir (MM2) los parámetros de estado de la celda (C2), - medios de comunicación (MD2) inalámbrica, que permiten enviar y recibir parámetros de estado, - medios de transferencia de energía (ME2) inalámbricos, caracterizada porque los medios de comunicación (MD2) y los medios de transferencia de energía (ME2) son los mismos, de tipo inductivo y están constituidos por dos bobinas (B21, B23) dispuestas a cada lado de la celda (C2).

Description

DESCRIPCIÓN
Unidad y sistema de equilibrado inalámbrico para celda de batería
Campo de la invención
La invención se refiere al campo técnico de los sistemas de equilibrado de celdas que componen una batería.
Antecedentes de la invención
Una batería está formada por una pluralidad de celdas conectadas en serie. Como estas celdas suelen tener características diferentes en cuanto a producción, distribución de temperatura o curva de vida, suelen tener estados de carga diferentes, lo que degrada la batería y reduce su eficiencia operativa. Así, para optimizar las capacidades y la vida útil de la batería, se utiliza convencionalmente un BMS (siglas en inglés de “Battery Management System”), un sistema electrónico que permite controlar los estados de carga de las celdas de la batería. Dicho elemento asegura el equilibrio de las cargas de las celdas mediante el cortocircuito de determinadas celdas o la redistribución de energía entre las celdas.
En la Figura 1, se ilustra una pluralidad de celdas C1-C3 dispuestas en serie, cada una conectada a un BMS centralizado BMS_C por enlace de cable. Por lo tanto, el BMS tiene acceso a los parámetros de estado de cada celda, lo que le permite decidir si es necesario un equilibrado e implementar el equilibrado si es necesario. Este sistema tiene el inconveniente de requerir una gran cantidad de cables de conexión, lo que hace que el sistema sea complejo de instalar, pesado y voluminoso, y dificulta la adición de nuevas celdas, ya que el BMS generalmente solo puede administrar una cantidad predefinida de celdas.
Para limitar estos inconvenientes, es una práctica conocida utilizar un BMS con una topología distribuida, como se ilustra en la Figura 2 de la presente solicitud. En este caso, cada celda CX, X = 1..3, se conecta a una placa de circuito impreso BMS_X (llamada “BMS Board”, en inglés), y las placas se conectan entre sí y a un controlador CTRL mediante enlace de cable.
Aunque el número de cables de conexión se reduce en comparación con una topología centralizada, aún son necesarias muchas conexiones cableadas, lo que complica la instalación y el mantenimiento del sistema. Además, incluso si se simplifica la adición de celdas adicionales, sigue siendo tedioso porque es necesario desconectar y volver a conectar las tarjetas entre ellas, así como adaptar el controlador según el número de celdas agregadas, lo que requiere un retorno del sistema de equilibrado en la fábrica.
El documento US 6.100.663 A describe un cargador de batería con transferencia de energía inductiva para un coche eléctrico. Se realiza una gestión de carga de la batería. La batería comprende una o más celdas. Cada celda está asociada con medios de carga de batería que tienen medios de control para determinar el estado de carga de la celda asociada.
El documento US 2015/0188358 A1 describe un dispositivo de carga capaz de cargar celdas de batería de forma inalámbrica. Se espera que mantenga un equilibrio de carga entre diferentes celdas de batería vecinas por inducción magnética. Esto se refiere principalmente a la carga de baterías de teléfonos móviles.
El documento US 2016/0336765 A1 describe un aparato para controlar la carga y descarga de una batería sin mencionar la comunicación inductiva.
El documento US 2014/0055096 A1 describe una batería con un conjunto de celdas y un procedimiento para equilibrar la carga de las celdas.
En consecuencia, existe la necesidad de un sistema de equilibrado para las celdas que componen una batería, que presente una mejor escalabilidad y requiera menos conexiones por cable que los sistemas de la técnica anterior.
Compendio de la invención
La invención se refiere a una unidad de equilibrado a bordo de una celda de batería y que comprende:
- medios para medir los parámetros del estado de la celda,
- medios de comunicación inalámbrica, que permiten enviar y recibir parámetros de estado,
- medios de transferencia de energía inalámbrica.
La invención también se refiere a un sistema de equilibrado para celdas de batería conectadas en serie, que comprende una pluralidad de unidades de equilibrado como las descritas con anterioridad, estando cada unidad de equilibrado a bordo de una celda de la batería, en donde los medios de comunicación de cada unidad de equilibrado hacen posible enviar sus parámetros de estado a las unidades de equilibrado adyacentes y recibir los parámetros de estado de las unidades de equilibrado adyacentes, en donde los medios de transferencia de energía permiten enviar energía a las unidades de equilibrado adyacentes o recibir energía proveniente de unidades de equilibrado adyacentes.
La unidad de equilibrado puede determinar, según sus propios parámetros de estado y los parámetros de estado recibidos de las unidades de equilibrado adyacentes a través de los medios de comunicación inalámbrica, si la celda está demasiado cargada o muy poco en relación con las celdas adyacentes. Los medios de transferencia de energía permiten entonces transferir parte de la energía de la celda a una o dos celdas adyacentes o, a la inversa, recibir energía de las celdas adyacentes.
Se observa que la transferencia de energía es operativa durante la carga, la descarga y el estado de reposo de la celda, porque la unidad de equilibrado es alimentada permanentemente por la celda.
Por otra parte, no es necesario ningún cable entre las diferentes unidades de equilibrado. Además, cada unidad de equilibrado funciona de forma autónoma, por lo que no es necesario conectarlas a una unidad central para activar el equilibrado. Todo ello limita las conexiones, la complejidad del sistema, su tamaño, su peso, etc.
Además, el sistema de equilibrado es completamente modular: basta con colocar dos unidades de equilibrado una al lado de la otra para que sea posible la comunicación de datos o la transferencia de energía, lo que facilita la incorporación o retirada de celdas.
Los medios de comunicación y los medios de transferencia de energía son los mismos. Esto permite limitar el número de componentes de la unidad de equilibrado, lo que tiene ventajas en términos de complejidad, tamaño, peso, costo y gasto energético.
Se trata de medios inductivos, constituidos por dos bobinas dispuestas a cada lado de la celda. Cada bobina permite la comunicación con una de las unidades de equilibrado asignadas a las celdas adyacentes. Ventajosamente, las bobinas están calibradas para comunicaciones de datos y transferencias de energía óptimas. Las comunicaciones de datos y las transferencias de energía entre unidades de equilibrado son tanto más óptimas cuanto que las distancias entre las unidades de equilibrado son bajas.
En una realización no limitativa, los parámetros de estado de una celda incluyen mediciones de un voltaje y una temperatura de la celda, y un estado operativo de la celda.
En una realización no limitativa, los parámetros de estado incluyen un tiempo de funcionamiento de la celda.
En una realización no limitativa, la unidad de equilibrado comprende una memoria que comprende parámetros para ajustar la celda y un historial de eventos relacionados con la celda. La unidad de equilibrado tiene acceso a esta memoria para registrar y mantener el historial de eventos. Es posible, a través de medios de comunicación de datos inalámbricos, desde un dispositivo de mantenimiento externo a la celda, por ejemplo, acceder al historial de eventos de la celda y los parámetros de ajuste integrados.
Ventajosamente, la unidad de equilibrado tiene en cuenta los parámetros de ajuste y el historial de eventos para decidir si transferir o recibir energía.
En una realización no limitativa, el sistema de equilibrado comprende una pluralidad de elementos disipadores, estando cada elemento disipador asignado a una celda y conectado en paralelo con dicha celda, y la unidad de equilibrado a bordo de dicha celda comprende medios para controlar el elemento disipador. El elemento disipador se utiliza al final de la carga de la celda. El elemento disipador permite disipar parte de la energía innecesaria de la celda, ya que está completamente cargada.
En una realización no limitativa, los parámetros de estado incluyen una medida de la corriente en el elemento disipador.
En una realización no limitativa, cada elemento disipador está constituido por un transistor de efecto de campo de puerta de óxido metálico (MOSFET) cuyo drenaje y fuente están conectados a cada lado de la celda asociada, y la puerta está conectada a la unidad de equilibrado asociada. Sin embargo, el elemento disipador podría ser cualquier elemento capaz de cortocircuitar la celda (por ejemplo, una resistencia, un interruptor, un conmutador, un transistor bipolar, etc.) cuando este último está cargado.
Breve descripción de los dibujos
Otras características y ventajas se desprenderán claramente de la descripción que se da a continuación, a título indicativo y no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la Figura 1, ya descrita, representa una pluralidad de celdas dispuestas en serie, cuyo equilibrado está asegurado por un BMS con topología centralizada, según el estado de la técnica,
- la Figura 2, ya descrita, representa una pluralidad de celdas dispuestas en serie, cuyo equilibrio está asegurado por un BMS con topología distribuida, según el estado de la técnica.
- la Figura 3 representa una pluralidad de celdas dispuestas en serie, cuyo equilibrado está asegurado por un sistema de equilibrado por transferencia de energía inalámbrica según la invención,
- la Figura 4 representa una unidad de equilibrado de un sistema de equilibrado por transferencia de energía inalámbrica según la invención,
- la Figura 5 representa una celda que lleva una unidad de equilibrado según la invención.
Descripción detallada de al menos una realización
La Figura 3 representa una batería que comprende celdas C1-C3 montadas en serie y que forman una batería, y un sistema de equilibrado SE de dicha batería según la invención. El sistema de equilibrado incluye una pluralidad de elementos disipadores D1-D3 y una pluralidad de unidades de equilibrado U1-U3. Con cada celda está asociado un elemento disipador y una unidad de equilibrado. Se observa que, en el ejemplo descrito, las celdas, los elementos disipadores y las unidades de equilibrado son cada uno de tres en número, pero naturalmente este número no es limitante.
Cada elemento disipador está compuesto por un MOSFET cuyo drenaje y fuente están conectados a cada lado de la celda asociada, y cuya puerta está conectada a la unidad de equilibrado asociada. Sin embargo, el elemento disipador podría ser cualquier elemento capaz de cortocircuitar la celda (por ejemplo, una resistencia, un interruptor, un interruptor, un transistor bipolar, etc.) cuando este último está cargado.
Cada unidad de equilibrado funciona de forma autónoma cuando se asigna a una celda. El sistema de equilibrado según la invención está completamente descentralizado. A modo de ejemplo, la Figura 4 representa la unidad de equilibrado U2, entendiéndose que las otras unidades son idénticas. La unidad de equilibrado U2 comprende:
- medios de control MC2 del elemento disipador asociado D2,
- medios de medición MM2 de los parámetros de estado de la celda C2 asociada,
- medios de comunicación inalámbrica MD2 con las unidades de equilibrado U1, U3 asignadas a las celdas adyacentes C1, C3, que permiten en particular enviar y recibir parámetros de estado,
- medios de transferencia de energía inalámbricos ME2 con las unidades de equilibrado U1, U3 asignadas a las celdas adyacentes C1, C3,
- una memoria MU2 que comprende parámetros de ajuste de la celda C2 y un historial de eventos relacionados con la celda.
Los medios de control MC2 permiten controlar el elemento disipador D2 asociado, cortocircuitando o no la celda C2 asociada.
Los medios de medición MM2 permiten medir parámetros de estado que comprenden en particular el voltaje de la celda asociada C2, la corriente que fluye a través del elemento disipador D2 y la temperatura de la celda C2.
Los medios de comunicación MD2 permiten que la unidad de equilibrado U2 envíe sus parámetros de estado a las unidades de equilibrado U1, U3 de las celdas adyacentes C1, C3 y, además, reciba sus parámetros de estado. Por tanto, los medios de comunicación MD2 son bidireccionales. Los medios de comunicación MD2 también permiten, en una realización, recibir o enviar estados (indicando, por ejemplo, si una celda está siendo equilibrada) y comandos.
Los medios de transferencia de energía ME2 permiten que la celda C2 envíe a las celdas adyacentes C1, C3 energía de la celda C2, o que reciba energía proveniente de las celdas adyacentes C1, C3. Por tanto, los medios de transferencia de energía ME2 son bidireccionales. La transferencia de energía es inalámbrica y gestionada por la unidad de equilibrado. Los parámetros de estado transmitidos entre la celda C2 y las celdas adyacentes C1, C3 permiten regular la cantidad de energía por transmitir.
En el ejemplo representado, los medios de comunicación MD2 y la transferencia de energía ME2 son de tipo inductivo y están constituidos por dos bobinas B21, B23, donde una B21 de las dos bobinas B21, B23 sirve para comunicarse con una U1 de las dos unidades adyacentes U1, U3, la otra B23 de las dos bobinas B21, B23 sirve para comunicarse con la otra U3 de las dos unidades adyacentes U1, U3. Se utilizan diversas frecuencias para la comunicación de datos y la transferencia de energía. Se observa que son posibles otros tipos de acoplamiento además del acoplamiento inductivo entre las unidades de equilibrado. El documento “A review on the recent development of capacitive wireless power transfer technology” de Fei Lu, describe, en particular con referencia a su Figura 2, diferentes tipos de posibles acoplamientos.
La memoria MU2 incluye parámetros para ajustar la celda C2. Los parámetros de ajuste incluyen parámetros de fábrica específicos para la producción de la batería, por ejemplo, su número de identificación, y parámetros para equilibrar, por ejemplo, un voltaje mínimo y máximo de descarga y carga o incluso una tabla de correspondencia del estado de carga según el voltaje de la celda. La memoria MU2 también incluye un historial de eventos de la celda C2 ocurridos a lo largo de su vida útil, por ejemplo, la duración del uso de la celda, alertas, manejo eléctrico inadecuado de la celda, etc. La memoria es un área protegida, podemos considerar que se trata de un dato seguro. Solo la propia unidad de equilibrado U2 y el fabricante tienen acceso a la memoria MU2 y pueden modificar los datos que contiene. La unidad de equilibrado U2 se puede colocar, por ejemplo, en un soporte inalámbrico dedicado que proporciona acceso, a través de los medios de comunicación MD2, a la memoria MU2.
El conjunto de celda C2, el elemento de disipación D2 y la unidad de equilibrado U2 forman un conjunto compacto, como se ilustra en la Figura 5. La unidad de equilibrado U2 está a bordo en la celda C2. La Figura 5 representa la celda C2, a cada lado de la cual están plaqueadas las dos bobinas B21, B23, estando conectadas las dos bobinas a la unidad de equilibrado U2 montada en un circuito impreso flexible. Esta disposición garantiza una simetría estructural que permite no tener que preocuparse por la orientación del conjunto, durante su montaje o su sustitución. La miniaturización del sistema minimiza su impacto en términos de volumen y peso. Las bobinas B21, B31 se colocan mecánicamente para garantizar una eficiencia de transferencia de energía óptima.
El sistema de equilibrado según la invención tiene muchas ventajas, entre otras:
- es modulable, es decir, permite la adición de un número indefinido de celdas en serie,
- permite su uso en los estados activo (carga y descarga) y de reposo de la celda,
- permite la comunicación entre celdas adyacentes para la adaptación de los niveles de energía y el intercambio de datos,
- permite, mediante una comunicación inalámbrica encadenada entre todas las celdas colocadas en serie, transferir comandos o información a varias celdas,
- optimiza la transferencia de energía mediante una alineación mecánica de las celdas de la batería,
- las distancias entre las celdas son relativamente cortas, se mejora la eficiencia de transferencia de energía, - permite el acceso remoto a cada celda para conocer (y posiblemente modificar) sus características e información de configuración,
- optimiza la comunicación entre las celdas de equilibrado, mediante acoplamiento, y
- permite una estabilidad mecánica y el posicionamiento de los elementos de transferencia de energía.
Por supuesto, la presente invención no se limita al ejemplo ilustrado y es susceptible de diversas variantes y modificaciones que aparecerán a los expertos en la técnica.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Unidad de equilibrado (U2) a bordo de una celda de batería (C2), que comprende:
- medios para medir (MM2) los parámetros de estado de la celda (C2),
- medios de comunicación (MD2) inalámbrica, que permiten enviar y recibir parámetros de estado,
- medios de transferencia de energía (ME2) inalámbricos,
caracterizada porque los medios de comunicación (MD2) y los medios de transferencia de energía (ME2) son los mismos, de tipo inductivo y están constituidos por dos bobinas (B21, B23) dispuestas a cada lado de la celda (C2).
2. Unidad de equilibrado (U2) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende los parámetros de estado de una celda (C2) que comprende mediciones de un voltaje y de una temperatura de la celda, y un estado operativo de la celda.
3. Unidad de equilibrado (U2) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde los parámetros de estado de una celda (C2) comprenden un tiempo de funcionamiento de la celda.
4. Unidad de equilibrado (U2) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores que comprende una memoria (MU2) que comprende parámetros de ajuste de la celda (C2) y un historial de eventos relacionados con la celda (C2).
5. Sistema de equilibrado (SE) de celdas (C1, C2, C3) de batería conectadas en serie, que comprende una pluralidad de unidades de equilibrado (U1, U2, U3) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde cada unidad de equilibrado (U1, U2, U3) está a bordo de una celda (C1, C2, C3) de la batería, en donde los medios de comunicación (MD2) de cada unidad de equilibrado (U2) permiten enviar sus parámetros de estado a las unidades de equilibrado adyacentes (U1, U3) y recibir parámetros de estado de unidades de equilibrado adyacentes (U1, U3), en donde los medios de transferencia de energía (ME2) de cada unidad de equilibrado (U2) permiten enviar energía a unidades de equilibrado adyacentes (U1, U3) o recibir energía proveniente de unidades de equilibrado adyacentes (U1, U3).
6. Sistema de equilibrado (SE) de acuerdo con la reivindicación anterior, que comprende una pluralidad de elementos disipadores (D1, D2, D3), estando asignado cada elemento disipador (D1, D2, D3) a una celda (C1, C2, C3) y conectado en paralelo con dicha celda, y la unidad de equilibrado (U2) a bordo de dicha celda (C2) comprende medios de control (MC2) del elemento disipador (D2).
7. Sistema de equilibrado (SE) de acuerdo con la reivindicación anterior, comprendiendo los parámetros de estado de una celda (C1, C2, C3) una medición de la corriente en el elemento disipador (D1, D2, D3) conectado en paralelo de dicha celda.
8. Sistema de equilibrado de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 o 7, estando constituido cada elemento disipador (D1, D2, D3) por un transistor de efecto de campo con una puerta de óxido metálico, cuyo drenaje y la fuente están conectados a ambos lados de la celda (C1, C2, c 3), y la puerta está conectada a la unidad de equilibrado (U1, U2, U3).
ES18186368T 2018-07-30 2018-07-30 Unidad y sistema de equilibrado inalámbrico para celda de batería Active ES2884140T3 (es)

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EP18186368.9A EP3605778B1 (fr) 2018-07-30 2018-07-30 Unité et système d'équilibrage sans fil pour cellule de batterie

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