ES2912946T3 - Sistema para gestionar, identificar e interconectar una pluralidad de baterías de propulsión de un vehículo eléctrico - Google Patents

Sistema para gestionar, identificar e interconectar una pluralidad de baterías de propulsión de un vehículo eléctrico Download PDF

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Abstract

Sistema de gestión, diagnosis e interconexión de varias baterías de propulsión de un vehículo eléctrico, en el que cada batería (1) integra un grupo de celdas (11) que conecta con un sistema de gestión (BMS) y una serie de interfaces de comunicaciones con el resto del sistema, un conector de descarga (17) y otro de carga (16) a través del cual se conecta el cargador (7) correspondiente; un gestor de potencia (2) que recibe la energía de cada batería (1) y la transmite al controlador del motor (3) que la envía al motor (5) a través de una etapa de potencia (34), según las órdenes del usuario y las restricciones impuestas por la unidad de control (4), que es la encargada de gestionar la totalidad del sistema y determina cómo se consume la energía en función de sus algoritmos de gestión y de las solicitudes del usuario; un bus de comunicaciones (BUS) sirve de enlace de datos entre todas las unidades del sistema.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema para gestionar, identificar e interconectar una pluralidad de baterías de propulsión de un vehículo eléctrico
Objeto de la invención
La presente invención describe un sistema eléctrico y electrónico para gestionar el tren de potencia de un vehículo eléctrico, que incluye además un sistema de diagnóstico electrónico integrado para todas las unidades que lo comprenden. También está dotado de una salida de datos de funcionamiento y diagnóstico, lo que permite una comunicación con el usuario y el servicio de asistencia técnica.
Antecedentes de la invención
Los vehículos eléctricos están dotados de al menos un motor de accionamiento que utiliza energía eléctrica de un grupo de baterías interconectadas montadas en el propio vehículo. Aunque las características de las baterías que se utilizan en un vehículo determinado son generalmente similares, pueden existir diferentes tipos de baterías, así como diferencias en los niveles de potencia eléctrica que pueden alcanzar o en sus parámetros, tal como la corriente de autodescarga. Estas diferencias significan que, tras repetidos ciclos de carga y descarga, algunas baterías acumularán una carga mayor que otras, mientras que otras baterías se descargarán más de lo que deberían.
Para extender la vida útil de la batería tanto como sea posible, es recomendable mantener las baterías en todo momento dentro de las especificaciones del fabricante, que generalmente consisten en niveles de voltaje de celda entre un valor máximo y mínimo. Esto es particularmente importante en ciertos tipos de batería, tal como las baterías de litio, cuya vida útil puede reducirse considerablemente si se cargan o descargan en exceso.
El estado de la técnica incluye, por ejemplo, el documento WO 2015181420, que describe un sistema que mide la carga de cada batería, su temperatura y la corriente de carga/descarga que la atraviesa, y a la vista de estos datos, determina si es necesario disipar parte de la potencia suministrada a una batería específica en una operación de carga, o realizar otras acciones. El documento EP 270158 describe un dispositivo para la protección contra sobreintensidades en una batería de vehículo. El documento US 2013020970 describe un sistema y métodos para controlar un motor eléctrico en un vehículo eléctrico.
Descripción de la invención
En general, los sistemas que se han descrito se refieren a dispositivos de protección con origen en otros sectores en donde se utilizan baterías, no en el sector de la automoción, y no tenemos constancia de la divulgación de sistemas de gestión y diagnóstico que permitan al usuario decidir qué baterías se utilizarán según su estado, así como indicar al controlador del motor cómo gestionar la potencia según la energía disponible y el estado de las baterías en cada momento.
El sistema de la invención evalúa constantemente este estado para proporcionar una gestión de energía eficiente. Además, se controlan variables de seguridad eléctrica y mecánica y se generan datos útiles para el usuario y el servicio técnico.
También proporciona funciones de comunicación necesarias para el envío de datos de manera organizada al usuario y al servicio técnico para permitir el seguimiento del funcionamiento del sistema, acceder a las estadísticas de uso del vehículo, acceder al diagnóstico, prestar servicios de diagnóstico rápidos, enviar recambios, etc.
Breve descripción de los dibujos
Las características y ventajas de la invención resultarán más claras a la vista de la descripción detallada. Los detalles tanto en la descripción como en la realización preferida se muestran a modo de ilustración, haciendo referencia a un posible ejemplo de una realización, sin limitarse a los detalles aquí descritos. En consecuencia, esta descripción debe considerarse ilustrativa y no limitativa en ningún sentido. Las referencias numéricas indicadas en dichos apartados hacen referencia a las figuras que acompañan a este documento, en donde:
La figura 1 muestra un diagrama de bloques funcional de los dispositivos que componen este sistema de gestión, diagnóstico e interconexión de varias baterías de propulsión de un vehículo eléctrico.
La figura 2 muestra una representación más detallada en donde se representan los componentes esenciales de los distintos dispositivos del sistema.
Realización preferida de la invención.
Como se muestra en la figura 1, el sistema de la invención comprende los siguientes dispositivos básicos:
a) Una serie de baterías (1), que pueden ser de diferentes tipos, cada una de las cuales comprende un grupo de celdas (11), conectadas a un sistema de gestión (BMS) y una serie de interfaces de comunicación con el resto del sistema, un conector de descarga (17) y un conector de carga (16) con el que se conecta el correspondiente cargador (7).
b) Un gestor de potencia (2) que recibe la potencia de cada batería (1) y la envía al controlador de motor (3) y las demás unidades del sistema: Para cada batería (1) hay un canal de entrada (21) y un conmutador de potencia (22) que permite activar o desactivar la potencia de la batería correspondiente desde la unidad de control (4). c) Un controlador de motor (3) que envía la potencia al motor (5) a través de una etapa de potencia (34) según las instrucciones del usuario y las restricciones establecidas por la unidad de control (4), que tiene un módulo de control de usuario (33) que recibe instrucciones directamente del sistema y las transmite a un procesador (31) que genera las señales adecuadas para el control del motor (5), así como señales de alarma y estadísticas, comunicándolas a una unidad de control de motor ECU (4);
d) La unidad de control de motor (ECU) (4) gestiona todo el sistema y determina cómo se consume la energía según los algoritmos de gestión y las solicitudes del usuario; incluye un procesador (42) que recibe las solicitudes de cambio de modo y, si es admisible, envía la orden de cambio al controlador de motor (3) y recopila y representa en una pantalla (41) datos de diagnóstico y funcionamiento de todos los componentes del sistema, así como como una serie de interfaces de comunicación con un terminal de usuario (46), con bus de sistema (BUS) y con dispositivos de diagnóstico OBD;
e) Finalmente, el sistema incluye un bus de comunicaciones (BUS) que actúa como un enlace de datos entre todas las unidades para el funcionamiento del sistema.
La Figura 2 muestra una representación más detallada de cada uno de estos dispositivos.
Las baterías (1) pueden ser de diferentes tipos, con una integración total en un dispositivo de gestión electrónica integrado encargado de la protección eléctrica de cada batería, estimación de su estado actual, diagnóstico de errores y cálculo de estadísticas de uso. Las funciones se distribuyen en los siguientes elementos:
• Un grupo de celdas (11) conectadas en serie y en paralelo dependiendo de la potencia y energía deseadas, presente en cada batería (1).
• Un sistema de gestión de baterías (BMS) (20) en cada batería, con las siguientes funciones:
° Protecciones eléctricas (13) contra sobreintensidades, cortocircuitos, temperaturas fuera de rango, pérdida de aislamiento, detección de roturas de cableado interno, etc.
° Conmutadores de potencia (14) encargados de permitir o interrumpir la carga y descarga de las baterías. ° También incluye una interfaz con el bus de comunicaciones (15) para presentar datos a la unidad de control.
° Cálculo de estados de batería, estimando la carga almacenada en la batería y la energía disponible en la misma mediante sensores (12) de corriente, voltaje de celda (19) y temperatura.
° Cálculo de estadísticas de uso.
° Generación de estados de error y alarma que son reportados a la ECU a través del bus de sistema. • Cada batería incluye una serie de conectores con el resto del sistema, es decir:
° Un conector de descarga (17) que envía la energía al gestor de potencia.
° Un conector de carga (16) que conecta el cargador individual a la batería (7).
° Un conector de comunicaciones que permite conectar la batería al bus de comunicaciones de sistema. El dispositivo de gestión de potencia (2) es la unidad encargada de recibir la energía de cada batería (1) y enviar la potencia total recibida al controlador de motor (3) a través del bus DC y las demás unidades que necesitan potencia. Se divide en varios elementos:
• Un canal de entrada (21,24, 27) para cada batería, que conecta la batería al módulo de gestión.
• Un conmutador de potencia (22, 25, 28). Para baterías sin control de carga-descarga a través del bus de comunicaciones, la gestión de potencia permite habilitar o deshabilitar la potencia de cada batería individualmente desde la unidad de control (4).
• Un mecanismo antirruido (23, 26, 29) para cada canal que evita que circulen corrientes descontroladas entre baterías.
El controlador de motor (3) envía la potencia al motor (5) según las instrucciones del usuario y las restricciones establecidas por la unidad de control (4). Existe diagnóstico integrado y comunicaciones a través del bus con el resto del sistema.
• Las señales se reciben a través de una interfaz (33) desde los controles de usuario (62), por ejemplo, con el acelerador y los frenos, el usuario puede indicar al sistema de propulsión qué hacer, ya que esta es la manera más directa de enviar instrucciones al sistema.
• Un procesador (31) que lleva a cabo varias tareas importantes:
° Lee los controles de usuario directamente de la interfaz (33) para conocer las demandas de potencia, frenado, etc.
° Está conectado a una interfaz de comunicaciones que se comunica a través del bus de sistema con la unidad de control (4), recibiendo órdenes de cambio de modo para pasar de un modo de mayor potencia a un modo de ahorro de energía, por ejemplo.
° Con la información de los dos elementos anteriores, genera las señales adecuadas para el control del motor, al que se conecta a través de una etapa de potencia (34).
° El procesador procesa los diferentes estados de alarma y los reporta a la ECU (4), para que esta última pueda enviar datos de diagnóstico al exterior.
Una unidad de control de motor (ECU) (4) se encarga de gestionar todo el sistema, determinando cómo se consumirá la energía según los algoritmos de gestión y las solicitudes del usuario. Esta unidad incorpora los siguientes dispositivos:
• Una pantalla (41) que muestra datos al usuario en tiempo real es la forma más directa de comunicación con el sistema.
• Un procesador (42) que realiza las siguientes funciones:
° Controla todas las comunicaciones del sistema de propulsión a través del bus de sistema (BUS).
° Recibe solicitudes de cambio de modo a través de un control (61) y, si es admisible, envía la orden de cambio al controlador de motor.
° Recopila datos de error en todos los componentes del sistema de propulsión para presentar datos de diagnóstico de manera ordenada.
° Controla la pantalla.
° Gestiona funciones de arranque sin llave.
° Controla el módulo de gestión de potencia (2).
• Esta unidad incluye una interfaz de comunicaciones inalámbricas (43) que permite comunicar a través de una aplicación de teléfono inteligente/tableta/PC (46) datos de funcionamiento, diagnóstico parcial para el usuario, diagnóstico completo para servicio técnico, OBD sobre protocolos inalámbricos, etc.
• Una interfaz de comunicaciones (45) se encarga de comunicar con el bus de sistema, permitiendo el funcionamiento interno del sistema de propulsión aislado de las comunicaciones inalámbricas y el sistema OBD.
• También incluye la interfaz (44) con dispositivos de diagnóstico estándar OBD I/II (47).
Un bus de comunicaciones (BUS) establece el enlace de datos entre todas las unidades para operar el sistema.
El funcionamiento básico de la máquina es el siguiente: Cuando se pone en marcha el sistema, la unidad de control electrónico (4) puede comunicarse con las distintas baterías (1) conectadas al bus. De esta manera, puede decidir qué baterías se utilizarán según su estado, e indicar al controlador de motor (3) cómo gestionar la potencia, teniendo en cuenta la energía disponible y el estado de las baterías en cada momento. No es necesario que todas las baterías estén conectadas y cargadas para un correcto funcionamiento, ni que todas tengan el mismo nivel de carga.
El sistema también admite la selección manual del modo de potencia siempre que la unidad de control electrónico (4) considere que el modo seleccionado se puede utilizar sin problemas. El funcionamiento normal del sistema evalúa constantemente este estado para una gestión de energía eficiente. También se controlan variables de seguridad eléctrica y mecánica, y se generan datos útiles para el usuario y el servicio técnico:
• Voltaje, corriente y temperatura de las baterías.
• Estado de carga de la batería.
• Autonomía restante.
• Consumo de energía.
• Estados de alarma.
• Voltaje, corriente y temperatura del controlador de motor.
• Estados de alarma del controlador.
• Modos de funcionamiento del controlador.
• Temperatura y velocidad de rotación del motor.
• Sistemas antirrobo y antimanipulación.
• Kilómetros recorridos.
• Errores almacenados.
• Otras estadísticas de uso.
Tanto la gestión electrónica de cada batería (1) como la del controlador de motor (3), el motor (5), la unidad de gestión de potencia (2) y la unidad de control electrónico (4) tienen diagnósticos de sensores, accionadores y todos los elementos internos. Estos datos son enviados a la unidad de control electrónico U a través del bus (BUS), que presenta los datos al exterior con varios protocolos estándar: OBD, etc. Esto permite el diagnóstico del sistema de propulsión con herramientas estándar, o aplicaciones específicas del fabricante.
Además, este sistema tiene una serie de funciones de comunicaciones necesarias para el envío de datos de manera organizada al usuario y al servicio técnico.
• Mediante protocolo OBD sobre bus cableado, como es habitual en automatismos.
• Mediante CAN Bus o Bluetooth a una aplicación específica para el servicio técnico, con funciones avanzadas disponibles solo para personas autorizadas.
• Mediante Bluetooth a un teléfono inteligente o tableta. Con una aplicación el usuario puede ver el funcionamiento del sistema, acceder a estadísticas de uso del vehículo, acceder al diagnóstico, etc.
• Con una aplicación, la unidad de control puede enviar datos de diagnóstico y funcionamiento directamente al servicio técnico a través de la conexión de datos del teléfono o tableta, posibilitando un servicio ágil al usuario para diagnóstico, envío de recambios, etc.

Claims (1)

REIVINDICACIONES
1. Sistema para gestionar, identificar e interconectar una pluralidad de baterías de propulsión de un vehículo eléctrico, caracterizado por que comprende:
a) un grupo de baterías (1), cada una de las cuales incluye los siguientes elementos:
- un grupo de celdas (11) en cada batería (1) consistente en una conexión de celdas en serie y en paralelo dependiendo de la potencia y energía deseadas;
- un sistema de gestión para cada batería (1) que incluye un sensor de corriente (12), un procesador (13) que realiza funciones de protección de circuito, gestiona los conmutadores (14) encargados de controlar la carga y descarga de la batería (1), y además comprende una interfaz (15) con el bus de comunicaciones (BUS) que proporciona datos a la unidad de control de motor (4) y calcula el estado de la batería (1), genera estadísticas de uso y genera errores y estados de alarma; y
- una serie de interfaces de comunicación con el resto del sistema entre las que se encuentran un conector de descarga (17) que envía energía al gestor de potencia (2), un conector de carga (16) a través del cual se conecta el cargador (7) a la batería (1), y un conector de comunicaciones (18) que permite conectar la batería (1) al bus de comunicaciones de sistema (BUS);
b) un gestor de potencia (2) que recibe la energía de cada batería (1) y se encarga de enviar la energía recibida al controlador de motor (3) y al resto de unidades del sistema que, para cada batería (1), se divide en los siguientes elementos:
- un canal de entrada (21) que conecta la batería (1) al gestor de potencia (2),
- un conmutador de potencia (22) que activa o desactiva la potencia de la batería correspondiente (1) desde la unidad de control (4), y
- un dispositivo antirruido (23) que evita que circulen corrientes descontroladas entre las baterías (1);
c) un controlador de motor (3) que envía potencia al motor (5) a través de una etapa (34) según las instrucciones del usuario y las restricciones establecidas por la unidad de control (4), que tiene un diagnóstico integrado y una interfaz de comunicaciones (32) al bus de sistema (BUS); que comprende:
- un módulo de control de usuario (33) que recibe órdenes directas del sistema a través del acelerador y los frenos (62) con los que el usuario indica al sistema de propulsión qué acciones se deben realizar;
- un procesador (31) que:
• lee los controles de usuario (33) directamente para conocer las demandas de potencia o frenado;
• se comunica a través de una interfaz (32) con la unidad de control de motor (4) a través del bus de sistema (BUS), recibiendo órdenes para cambiar de un modo de mayor potencia a un modo de ahorro de energía, o viceversa, • genera señales para controlar el motor (5) a través de una unidad de potencia (34), y
• genera señales de alarmas y estadísticas de controlador, reportando los diversos estados de alarma a la unidad de control de motor (4);
d) una unidad de control de motor (ECU) (4) que se comunica con las baterías (1) en conexión con el bus (BUS) para decidir qué baterías (1) usar según su estado e indica al controlador de motor (3) cómo gestionar la potencia en función de la energía disponible y del estado de las baterías (1) en cada momento, que incluye:
- una pantalla (41) para presentar datos al usuario en tiempo real,
- un procesador (42) que controla las comunicaciones del sistema de propulsión a través del bus de sistema (BUS), recibe solicitudes de cambio de modo y, si es admisible, envía la orden de cambio al controlador de motor (3); recopila datos de error en todos los componentes del sistema de propulsión presentando datos de diagnóstico, gestiona funciones de arranque sin llave y controla el gestor de potencia (2);
- una interfaz de comunicaciones inalámbricas (43) a través de la que el sistema se comunica con un terminal de usuario (46) para transmitir datos de funcionamiento y datos de diagnóstico.
- una interfaz de comunicaciones (45) con el bus de sistema (BUS) que permite el funcionamiento del sistema de propulsión, y
- una interfaz de comunicaciones (44) con dispositivos de diagnóstico OBD (47); y
e) un bus de comunicaciones (BUS) que actúa como un enlace de datos entre todas las unidades para el funcionamiento del sistema.
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