ES2935619T3 - Procedimiento y dispositivo para determinar una capacidad reducida de un módulo de células de una batería - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un método y un dispositivo para determinar una capacidad reducida de un módulo de celda dentro de una batería electroquímica que comprende una pluralidad de módulos de celda, y un sistema de batería que tiene un dispositivo según la invención para determinar una capacidad reducida, y un programa informático para llevar a cabo el método según la invención para determinar una capacidad reducida de un módulo celular. El método para determinar una capacidad reducida de un módulo de celdas dentro de una batería electroquímica que comprende varios módulos de celdas comprende los siguientes pasos: i. Definición de un rango de estado de carga de la batería Q_BAT_START a Q_BAT_STOP; i.1 medición del aumento de voltaje de la batería Vbat en un rango de carga definido al cargar la batería; ii. Determinación de la tensión de consigna de un módulo de celdas Vzm_soll a partir del cálculo Vzm_soll=Vbat/N sobre el rango de carga definido al cargar la batería, siendo N el número de módulos de celdas de la batería conectados en serie; iii. Determinación de un valor diferencial de consigna Vzm_soll para el aumento de tensión del módulo de celdas al cargar la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP a partir de los valores determinados de la tensión de consigna Vzm_soll de un módulo de celdas; IV. Medición del valor diferencial real Vzm_act para el aumento de voltaje de un módulo de celda específico cuando se carga la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP; v. determinar un estado de capacidad SoH del módulo celular específico a partir del cálculo SoH=Vzm_real/Vzm_soll; vi. Determinación de un valor diferencial de consigna Vzm_soll para el aumento de tensión del módulo de celdas al cargar la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP a partir de los valores determinados de la tensión de consigna Vzm_soll de un módulo de celdas; IV. Medición del valor diferencial real Vzm_act para el aumento de voltaje de un módulo de celda específico cuando se carga la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP; v. determinar un estado de capacidad SoH del módulo celular específico a partir del cálculo SoH=Vzm_real/Vzm_soll; vi. Determinación de un valor diferencial de consigna Vzm_soll para el aumento de tensión del módulo de celdas al cargar la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP a partir de los valores determinados de la tensión de consigna Vzm_soll de un módulo de celdas; IV. Medición del valor diferencial real Vzm_act para el aumento de voltaje de un módulo de celda específico cuando se carga la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP; v. determinar un estado de capacidad SoH del módulo celular específico a partir del cálculo SoH=Vzm_real/Vzm_soll; vi. Medición del valor diferencial real Vzm_act para el aumento de voltaje de un módulo de celda específico cuando se carga la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP; v. determinar un estado de capacidad SoH del módulo celular específico a partir del cálculo SoH=Vzm_real/Vzm_soll; vi. Medición del valor diferencial real Vzm_act para el aumento de voltaje de un módulo de celda específico cuando se carga la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP; v. determinar un estado de capacidad SoH del módulo celular específico a partir del cálculo SoH=Vzm_real/Vzm_soll; vi. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento y dispositivo para determinar una capacidad reducida de un módulo de células de una batería
[0001] La presente invención se refiere a un método y un dispositivo para determinar una capacidad reducida de un módulo de célula dentro de una batería electroquímica que comprende una pluralidad de módulos de célula, y un sistema de batería que tiene un dispositivo según la invención para determinar una capacidad reducida, y un programa informático para llevar a cabo el método según la invención para determinar la capacidad reducida de un módulo celular.
[0002] Las baterías que tienen células conectadas en serie o en paralelo son bien conocidas. Las células conectadas en serie forman los llamados módulos de células. Dependiendo del tipo de circuito, el voltaje o la corriente proporcionada por la batería pueden verse influenciados por la condición de una célula individual o un módulo de célula individual.
[0003] En particular, esta influencia puede depender del llamado SoH (estado de salud) de una célula o módulo celular individual, que normalmente caracteriza el estado de envejecimiento de esta célula o módulo celular.
[0004] Para determinar el estado de salud o SoH de baterías electroquímicas con varias células individuales conectadas en serie, la cantidad de carga en la batería generalmente se determina a través de dos puntos definidos en la característica de carga de la tensión total de la batería. Sin embargo, la desventaja de esto es que las células individuales o los módulos de células que tienen un defecto, p. ej. en envejecimiento avanzado o mal contacto, no se puede identificar a través de esta medición. Esto significa que, si se determina una cierta condición de envejecimiento o un SoH aumentado, se debe reemplazar toda la batería. Un documento relevante de la técnica anterior es j P H0968561 A.
[0005] El objeto de la presente invención es proporcionar un método, un dispositivo y un sistema con el que se pueda determinar de forma sencilla, rápida y fiable el estado de envejecimiento de células individuales o módulos de células de una batería electroquímica compuesta por varios módulos de células para reducir el envejecimiento de toda la batería reemplazando o manteniendo o reparando estos módulos de célula.
[0006] Este objetivo se consigue mediante el método según la invención para determinar una capacidad reducida de un módulo celular según la reivindicación 1 y mediante el dispositivo según la invención para determinar una capacidad reducida de un módulo celular según la reivindicación 7 y por el sistema de batería según la invención, que tiene al menos un dispositivo según la invención para determinar una capacidad reducida de un módulo celular, resuelto según la reivindicación 8.
[0007] La determinación de la tensión de consigna de un módulo de células Vzm_soll a partir del cálculo Vzm_soll=Vbat/N (paso ii. en la reivindicación 1) conduce así a un valor medio de la tensión de la batería, basado en un módulo de células respectivo. Este perfil de voltaje se puede representar gráficamente como una característica de referencia.
[0008] Se lleva a cabo un valor de diferencia objetivo AVzm_soll para el aumento de voltaje del módulo de célula cuando se carga la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP a partir de los valores determinados del voltaje objetivo Vzm_soll (paso iii. en la reivindicación 1) para cualquiera, es decir, para un módulo de célula idóneo de la batería.
[0009] El método puede llevarse a cabo de tal manera que cuando el método se lleva a cabo en módulos de células que no están conectados en paralelo y no se alcanza un valor límite del 70% del SoH, se emite la información sobre la defectuosidad del módulo de célula en cuestión, cuyo valor diferencial real AVzm_ist fue determinado. Si es necesario, esta información se puede emitir en forma de una señal de advertencia. De esto se puede ver que la capacidad restante del módulo de célula relevante es solo el 70% del valor final.
[0010] Cuando el método se lleva a cabo en módulos de células P conectados en paralelo y no se alcanza un valor límite del 70% del SoH, también se puede emitir la información sobre la falla del módulo de células relevante, cuyo valor diferencial real AVzm_istfue determinado, posiblemente también aquí en forma de señal de advertencia.
[0011] En otra forma de realización del método, se prevé que se emita información sobre el defecto del módulo de célula relevante si la capacidad medida es 1/P*100 % demasiado baja, lo que puede ser el caso, por ejemplo, con una célula no en contacto en una disposición paralela. Por ejemplo, si se conectan 6 células en paralelo en un módulo de células y no hay suficiente contacto en una célula o falta una célula y se determina que la capacidad de esta célula es < 5/6 de la capacidad nominal del correspondiente módulo de célula compuesto por el circuito paralelo, también se puede generar un mensaje de error.
[0012] De esta manera es posible reconocer, en el caso de células P conectadas en paralelo, cuando una célula falta o no está suficientemente contactada. En este caso, la capacidad restante de las otras células del módulo de células (células residuales) es (P-1)/P, es decir, la diferencia de capacidad es 1/P. Por ejemplo, con una conexión en paralelo de 6 células (P=6) para formar un módulo de células y una capacidad por célula de 100 Ah, la conexión en paralelo o el módulo de células tiene una capacidad de 600 Ah. Si falta una célula o hay mal contacto con una célula, el módulo de la célula solo tiene una capacidad de 500 Ah. Esto significa que falta 1/P*600Ah=1/6*600Ah =100Ah de capacidad en comparación con
un módulo de célula completo. La capacidad restante del módulo de células es entonces (P-1)/P=500Ah. En relación con la capacidad de salida esto sería entonces 500Ah/600Ah =5/6 o 91,3%. Esto significa que, en caso de una célula faltante o una célula mal contactada, se puede identificar una capacidad faltante del 8,3 % o un SoH del 91,7 %.
[0013] El rango de carga definido al cargar la batería puede ser el rango de carga completo de la batería.
[0014] Además, el módulo de células puede estar formado por una única célula de batería o por varias células de batería conectadas en paralelo entre sí.
[0015] El valor de diferencia objetivo AVzm_soll (paso iii.) puede determinarse mediante el cálculo:
[0016] Esto significa que se determina el valor del valor absoluto del voltaje del módulo celular en Q_BAT_START menos el valor del voltaje del módulo celular en Q_BAT_STOP. En particular, el rango de estado de carga de la batería Q_BAT_START a Q_BAT_STOP puede corresponder a 2% a 20%, en particular 5% a 15% de la capacidad de la batería.
[0017] El rango de estado de carga de la batería Q_BAT_START a Q_BAT_STOP se puede utilizar del 70 % al 80 % del estado total de carga de la batería.
[0018] Este rango de medición debe funcionar en un área relativamente plana de la característica de carga de la batería, que resulta de determinar el voltaje nominal de un módulo de células Vzm_soll a partir del cálculo Vzm_soll=Vbat/N.
[0019] En particular, el rango de medición se puede definir entre 30% y 85% SoC.
[0020] El aumento de tensión de la batería Vbat puede medirse especialmente en el rango de carga definido con una carga eléctrica de 0,5 C. La batería puede tener una temperatura de 20 °C.
[0021] Con el fin de compensar el valor diferencial real AVzm_ist, se establece un factor de compensación k, con el tamaño del factor de compensación k dependiendo de la desviación de la temperatura de la batería de un rango de temperatura definido y/o la desviación de la carga eléctrica de la batería de una corriente de carga definida al medir el valor diferencial real AVzm_ist. El factor de compensación k determinado se compensa con el estado de capacidad determinado SoH para formar un estado de capacidad compensado SoHk usando el siguiente método de cálculo:
SoHk = AVzmJst *k/ AVzm_soll.
[0022] El rango de temperatura definido puede ser 15-25°C, en particular 18-22°C; y la corriente de carga definida de 0,4 C a 0,6 C; en particular 0,5 C.
[0023] Es decir, la corriente de carga es de 0,4 a 0,6; en particular 0,5 * la capacidad de la batería en Ah. Así, una batería de 100 Ah se cargaría con 0,5 C o 50 A y, con una corriente de carga de 0,5 C, necesitaría 2 horas para cargarse por completo. Otra designación es que la corriente de carga es IL = 0,4 C a 0,6 C/1h, en particular 0,5 C/1h.
[0024] El factor de compensación k puede determinarse en particular a partir de valores previamente determinados del valor diferencial real medido AVzm_ist en función de la desviación de la temperatura de la batería presente durante la medición respectiva y/o la corriente de carga respectiva de la temperatura de la batería o la corriente de carga que está o están presentes durante la medición del valor diferencial real AVzm_soll para compensarse con el valor diferencial objetivo AVzm_ist.
[0025] Por ejemplo, el factor de compensación k se puede derivar de una tabla de estandarización en la que se almacenan los valores diferenciales reales AVzm_ist influenciados por la temperatura actual de la batería y/o la corriente de carga existente.
[0026] Alternativamente o adicionalmente, las curvas características del perfil de tensión del respectivo módulo de células resultantes de diferentes temperaturas de la batería o corrientes de carga aplicadas también se pueden almacenar, de modo que se dispone de una familia de curvas a partir de la cual se puede derivar el factor de compensación k.
[0027] El factor de compensación se determina, por ejemplo, determinando empíricamente una familia de curvas de voltaje en función de la corriente de carga y tabulando la desviación porcentual del valor estándar de la curva a una intensidad de corriente I definida (por ejemplo, a 0,5 C o 50 A):
medición de la desviación relativa del voltaje de carga del valor del voltaje de carga a la corriente definida (por ejemplo, 0,5C) para algunos valores de carga (SoC) y algunos valores de corriente. Determinación de una matriz de factores de estandarización KI(I,SoC) para la corriente, normalizada a la intensidad de corriente definida. Lo mismo se aplica a la determinación empírica de una matriz de factores de normalización para la temperatura KT(T,SoC).
[0028] El factor de normalización total k es el producto de ambos factores de normalización
k=KI(IL,SoC)*KT(T,SoC).
[0029] En la aplicación práctica, el factor de normalización KT se puede despreciar, al igual que la dependencia del factor de normalización del SoC, de modo que k=KI(IL) se puede utilizar como una buena aproximación.
[0030] El voltaje del módulo de célula normalizado da como resultado Vzmnorm=k*Vzmist.
[0031] El estado de capacidad compensada SoHk se puede determinar de la siguiente manera: SoHk = AVzm_ist *k/ Avzm_soll.
[0032] Para resolver el problema, también se proporciona un dispositivo para determinar una capacidad reducida de un módulo celular dentro de una pluralidad de módulos celulares según la reivindicación 7.
[0033] Esto significa que el dispositivo según la invención para determinar una capacidad reducida de un módulo celular está configurado para llevar a cabo el método según la invención para determinar una capacidad reducida de un módulo celular. Después de definir un rango de estado de carga de la batería Q_BAT_START a Q_BAT_STOP, el dispositivo puede implementar automáticamente el método según la invención.
[0034] Si es necesario, el primer dispositivo de medición de tensión y el segundo dispositivo de medición de tensión están formados en una unidad de medición de tensión con la que se pueden realizar la primera medición de tensión y la segunda medición de tensión.
[0035] Además, el primer dispositivo de cálculo, el segundo dispositivo de cálculo y/o el tercer dispositivo de cálculo también pueden estar integrados en una unidad de cálculo con la que se puede realizar el primer cálculo, el segundo cálculo y/o el tercer cálculo.
[0036] Además, para lograr el objeto, se proporciona un sistema de batería que tiene una batería electroquímica que tiene una pluralidad de módulos de células y al menos un dispositivo según la invención para determinar una capacidad reducida de un módulo de células según la reivindicación 7 dentro de la batería.
[0037] El dispositivo según la invención está opcionalmente acoplado a la batería o a sus células o módulos de células de manera que las medidas de tensión puedan realizarse automáticamente.
[0038] La presente invención se complementa con un programa informático con código de programa para la ejecución de todos los pasos del procedimiento según la invención cuando el programa informático se ejecuta en un ordenador.
[0039] La invención se explica a continuación con referencia al diagrama que se muestra en la única Figura 1.
[0040] Este diagrama muestra las curvas de voltaje de diferentes módulos de células, según el estado de carga respectivo (SoC).
[0041] La función 1 muestra una característica nominal que se define para un módulo celular. Esta característica nominal se determina midiendo el perfil de tensión de una batería completa en todo el rango de carga preferiblemente y, si es necesario, a una temperatura de 20 °C y una corriente de referencia de 0,5 C. La curva característica nominal 1 que se muestra se puede definir dividiendo el perfil de voltaje determinado de toda la batería por el número N de módulos de célula conectados en serie.
[0042] Se puede ver que la curva de voltaje depende del respectivo estado de carga.
[0043] Si una célula o un módulo de célula tiene una resistencia interna aumentada (asumiendo la misma corriente de carga y la misma temperatura que en la definición de la característica nominal 1, hay un cambio paralelo en la característica nominal 1, de modo que una característica desplazada 2. El aumento de la resistencia interna puede deberse, por ejemplo, a errores de fabricación en la célula de la batería o en el módulo de la célula de la batería, pero también a un mal contacto de la célula o del módulo.
[0044] Al considerar la curva de función respectiva entre los puntos de inicio y parada, que preferiblemente debe definirse en un área relativamente plana de las funciones y no debe representar más del 10% de la capacidad total de la batería, la curva característica nominal 1 se convierte así en un primer estado de voltaje Vzm_start 11 y un segundo estado de voltaje Vzm_stop 12 se determinan para la curva característica desplazada 2 entre los puntos de inicio y parada. Puede verse que, debido al desplazamiento paralelo de la característica nominal a la característica desplazada 2, el valor absoluto de la diferencia entre el primer estado de voltaje Vzm_start 11 y el segundo estado de voltaje Vzm_stop 12 es igual de grande.
[0045] Esto significa que la diferencia en la curva característica nominal 1 AVzm_soll 13, que está formada por la cantidad de la diferencia entre el primer estado de voltaje Vzm_start 11 y el segundo estado de voltaje Vzm_stop 12, es tan grande
como la diferencia en la curva característica desplazada 2 AVzm_soN 23, que se forma a partir de los valores de voltaje correspondientes de esta característica entre los puntos de inicio y parada.
[0046] Una célula o un módulo de célula que está en un alto estado de envejecimiento (estado de salud reducido) y, en consecuencia, tiene una capacidad baja o pobre tiene una característica de capacidad reducida 3 cuando la batería se está cargando. Se puede ver que esta curva característica 3 es más pronunciada en general que la curva característica nominal 1 así como la curva característica desplazada 2. En el rango de carga definido entre inicio y parada, esto resulta en un mayor aumento en el voltaje, como con la diferencia AVzm_soll 33 en la curva característica se muestra una capacidad reducida 3. Este aumento mayor es, p. ej. envejecimiento, defectos de fabricación o la falta de una célula de un arreglo de grupo y provoca un aumento de voltaje más rápido en comparación con la característica nominal 1 o la curva característica desplazada 2.
[0047] El estado de envejecimiento del módulo de célula relevante ahora se puede estimar o determinar calculando el cociente de la diferencia AVzm_ist 33 en la curva característica de una capacidad reducida 3 y se forma la diferencia AVzm_soll en la curva característica nominal 1 o en la curva desplazada 2. Cuanto mayor sea el valor determinado para SoH, mayor será la desviación en la diferencia de voltaje del módulo celular examinado y, en consecuencia, su condición de envejecimiento.
Lista de símbolos de referencia
Característica nominal 1
Característica desplazada 2
Característica de capacidad reducida 3
Primer estado de voltaje Vzm_start 11
Segundo estado de voltaje Vzm_stop 12
Diferencia en la curva característica nominal AVzm_soll 13
Diferencia en la curva característica desplazada AVzm_soll 23
Diferencia en la curva característica de capacidad reducida AVzm_ist 33.
Claims (8)
1. Un método para determinar una capacidad reducida de un módulo de células dentro de una batería electroquímica que comprende múltiples módulos de células, en el que se realizan los siguientes pasos:
i. Definición de un rango de estado de carga de la batería Q_BAT_START a Q_BAT_STOP;
i. 1 Medición del aumento de voltaje de la batería Vbat en un rango de carga definido al cargar la batería; ii. Determinación de la tensión nominal de un módulo de células Vzm_soll a partir del cálculo Vzm_soll = Vbat/N sobre el rango de carga definido al cargar la batería, donde N es el número de módulos de células de la batería conectados en serie;
iii. Determinación de un valor diferencial nominal AVzm_soll para el aumento de tensión del módulo de células al cargar la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP a partir de los valores determinados de la tensión nominal Vzm_soll de un módulo de células;
iv. Cálculo del valor diferencial real AVzm_ist para el aumento de voltaje de un módulo de célula específico al cargar la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP;
v. Determinación de un nivel de capacidad SoH del módulo de célula específico a partir del cálculo
SoH = AVzm Js t / AVzm_soll;
vi. Generación de un comunicado a partir del nivel de capacidad determinado SoH sobre la reducción de la capacidad del módulo de célula específico,
caracterizado porque, para compensar el valor diferencial real AVzm_ist, se establece un factor de compensación k, en el que el tamaño del factor de compensación k depende de la desviación de la temperatura de la batería de un rango de temperatura definido y/o de la desviación de la carga eléctrica de la batería de un rango definido de carga al calcular el valor diferencial real AVzm_ist, y el factor de compensación k determinado se compensa con el nivel de capacidad determinado SoH para producir un nivel de capacidad compensado SoHk:
SoHk = AVzm ist *k / AVzm solí.
2. El método para determinar una capacidad reducida de un módulo de célula dentro de una batería electroquímica que comprende múltiples módulos de células según la reivindicación 1, caracterizados porque el rango de carga definido al cargar la batería es todo el rango de carga.
3. El método para determinar una capacidad reducida de un módulo de células dentro de una batería electroquímica que comprende múltiples módulos de células de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo de células está configurado por una célula de batería individual o por múltiples células de batería conectadas en paralelo entre sí.
4. El método para determinar una capacidad reducida de un módulo de células dentro de una batería electroquímica que comprende múltiples módulos de células de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el valor diferencial nominal AVzm_soll se determina calculando AVzm_soll = | Vzm_start - Vzm_stop |.
5. El método para determinar una capacidad reducida de un módulo de células dentro de una batería electroquímica que comprende múltiples módulos de células de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rango de estado de carga de la batería Q_BAT_START a Q_BAT_STOP corresponde a 2% a 20 %, en particular del 5% al 15% de la capacidad de la batería.
6. El método para determinar una capacidad reducida de un módulo de células dentro de una batería electroquímica que comprende múltiples módulos de células de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el factor de compensación k se determina a partir de valores previamente determinados del valor diferencial real calculado AVzm_ist en función de la desviación de la temperatura de la batería que existe durante la respectiva medición y/o de la corriente de carga que existe en cada caso de la temperatura de la batería o la corriente de carga que existe durante la medición del valor diferencial real AVzm_ist a ser compensado por el valor diferencial nominal AVzm_soll.
7. Un dispositivo para determinar una capacidad reducida de un módulo de célula dentro de una batería electroquímica que comprende múltiples módulos de células, que comprenden:
- un primer aparato de medición de voltaje para medir el aumento de voltaje de la batería Vbat en un rango de carga definido cuando se carga la batería;
- un primer aparato de cálculo para determinar la tensión nominal de un módulo de célula Vzm_soll a partir del cálculo Vzm_soll = Vbat/N en el rango de carga definido al cargar la batería, donde N es el número de módulos de célula conectados en serie de la batería;
- un segundo aparato de cálculo para determinar un valor diferencial nominal AVzm_soll para el aumento de
voltaje de un módulo de célula cuando se carga la batería en un rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP a partir de los valores determinados del voltaje nominal Vzm_soll de un módulo de célula; donde el valor diferencial nominal AVzm_soll se determina mediante el cálculo AVzm_soll = | Vzm_start - Vzm_stop |; - un segundo aparato de medición de voltaje para calcular el valor diferencial real AVzmJst para el aumento de voltaje de un módulo de célula específico cuando se carga la batería en el rango de estado de carga Q_BAT_START a Q_BAT_STOP;
- un tercer aparato de cálculo para determinar un nivel de capacidad del módulo de célula específico SoH a partir del cálculo,
SoH = AVzmJst / AVzm_soll;
así como
- un aparato de salida para generar una declaración del nivel de capacidad determinado SoH con respecto a la reducción en la capacidad del módulo de célula específico, caracterizado porque el dispositivo comprende además un aparato de compensación que está diseñado, para compensar el valor diferencial real AVzm_ist, para establecer un factor de compensación k, en el que el tamaño del factor de compensación k depende de la desviación de la temperatura de la batería de un rango de temperatura definido y/o en la desviación de la carga eléctrica de la batería de un rango de carga definido al calcular el valor diferencial real AVzm_ist, y con el cual el factor de compensación k determinado es compensable por el nivel de capacidad determinado SoH para producir un nivel de capacidad compensada SoHk : SoHk = AVzm_ist *k / AVzm_soll.
8. Un sistema de batería, que comprende una batería electroquímica que tiene múltiples módulos de célula, así como un dispositivo para determinar una capacidad reducida de un módulo de célula según la Reivindicación 7 dentro de la batería.
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