ES2950620T3 - Arquitectura de módulos de batería conectados en paralelo - Google Patents

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Philippe Laflaquiere
Younès Jaoui
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SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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Abstract

Arquitectura de batería basada en el paralelismo de n ramas de módulos de batería asociados a un convertidor DC/DC, estando todo controlado por un controlador inteligente. Por lo tanto, es posible aislar una rama, conectarla al convertidor CC/CC y luego realizar operaciones de carga o descarga en esta rama utilizando la potencia disponible de los módulos de batería de las n-1 otras ramas. Las otras n-1 ramas permanecen disponibles para un usuario al mismo tiempo. Luego, la rama aislada se vuelve a conectar a las otras ramas para reconstituir el sistema inicial. Esta arquitectura permite realizar operaciones como equilibrar voltajes entre módulos, determinar el estado de carga y medir capacidad. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Arquitectura de módulos de batería conectados en paralelo
CAMPO TÉCNICO
[0001] El campo técnico de la presente invención es el de los métodos de control de módulos de batería.
ESTADO DE LA TÉCNICA
[0002] Un módulo de batería comprende típicamente una pluralidad de elementos electroquímicos, también llamados generadores o acumuladores electroquímicos, conectados eléctricamente, y reunidos dentro de un mismo contenedor que forma la envolvente del módulo. Los elementos descargan y suministran energía eléctrica a un consumidor eléctrico. El módulo de batería puede cargarse mediante un cargador para aumentar la cantidad de energía eléctrica almacenada en cada elemento del módulo.
[0003] Durante el funcionamiento de un módulo de batería, es conocido medir periódicamente ciertos parámetros de su funcionamiento, tales como su temperatura, la intensidad de la corriente que lo atraviesa y el voltaje de cada uno de los elementos. Para ello, el módulo de batería está asociado a un sistema de gestión electrónico, denominado a menudo por las siglas BMS de “Battery Management System” en inglés. Si uno de los parámetros de funcionamiento del módulo o de uno de los elementos del módulo se sale de un rango predeterminado, el sistema electrónico de gestión informa de ello al usuario. Este último interviene entonces en el módulo y realiza una denominada operación de mantenimiento. Esta operación de mantenimiento puede consistir por ejemplo en poner el módulo en reposo o equilibrar las tensiones de los elementos del módulo. El equilibrado de las tensiones consiste en una homogeneización de las tensiones de los distintos elementos del módulo. Permite, cargando o descargando el elemento o elementos cuya tensión difiere sustancialmente de la de los demás elementos del módulo, llevar este o estos elementos a una tensión próxima a la de los demás elementos del módulo.
[0004] La figura 1 muestra una arquitectura convencional en la que un módulo de batería (M) envía una información BMS (COM) relativa al funcionamiento del módulo. El BMS puede, en función de esta información, actuar sobre el cargador (C) o sobre el consumidor eléctrico (L), por ejemplo, deteniendo la carga o descarga del módulo de batería, o cargando o descargando el módulo de batería, o llevando realizar una operación de equilibrado de los elementos del módulo o determinando el estado de carga del módulo. El usuario debe entonces desconectar el módulo del consumidor eléctrico o del cargador, y realizar la operación solicitada.
[0005] Se pueden conectar en serie varios módulos de batería para aumentar la tensión requerida por el consumidor eléctrico. Además, se pueden conectar en paralelo varios ramales que comprenden cada uno o más módulos de batería conectados en serie para aumentar la intensidad de la corriente necesaria para el funcionamiento del consumidor eléctrico. Por lo tanto, es conocida la fabricación de un sistema que comprende varias ramas en paralelo, comprendiendo cada rama uno o más módulos de batería conectados en serie. Es un sistema serie-paralelo. Sin embargo, diferentes módulos de batería, aunque fabricados para ser idénticos, pueden tener características ligeramente diferentes, por ejemplo, diferente aceptación de carga o autodescarga, lo que lleva a diferentes rendimientos eléctricos entre módulos. Por lo tanto, cuando varios módulos de batería se cargan en serie, es posible que no todos se carguen al mismo ritmo. Los voltajes en los terminales de los distintos módulos pueden variar de un módulo a otro. Si el voltaje de uno de los módulos de carga alcanza su voltaje de apagado más rápido, la carga de este módulo se detendrá antes de que los otros módulos en serie estén completamente cargados. Para optimizar la carga y por tanto el estado de carga de un módulo de batería dentro de un ramal, es conocido realizar un equilibrado del módulo.
[0006] Además, dentro de un mismo módulo de batería, un elemento puede tener características diferentes a las de los otros elementos del módulo, lo que conduce a un rendimiento eléctrico diferente. En este caso, este elemento está equilibrado con respecto a los demás elementos del módulo.
[0007] El equilibrado de un módulo de baterías puede requerir aislar eléctricamente el ramal en el que se encuentra dicho módulo, o bien requerir una carga específica del ramal en el que se encuentra dicho módulo. Sin embargo, entonces se interrumpe el suministro de energía al consumidor eléctrico. Por lo tanto, el equilibrio es una fuente de interrupción del servicio para el usuario final. Surgió entonces el problema de poder aislar una de las ramas paralelas de un sistema de módulos de batería, sin perturbar el funcionamiento de las otras ramas. Estos otros ramales deben poder permanecer disponibles para el usuario, es decir, continuar suministrando la corriente requerida por el funcionamiento del consumidor eléctrico.
[0008] Los documentos CN 205248399, CN 102684273 y EP 2658070 describen arquitecturas que comprenden varios ramales en paralelo, comprendiendo cada ramal al menos un módulo de batería. Se puede observar que cada ramal comprende un convertidor CC/CC bidireccional que permite la carga o descarga del módulo de batería. Estas arquitecturas utilizan tantos convertidores CC/CC como ramales hay, lo que las hace complejas y costosas. Por lo tanto, estamos buscando una manera de simplificar estas arquitecturas.
[0009] El documento US 2012/0262121 describe un circuito de equilibrio de batería para equilibrar los voltajes de un dispositivo de batería extraíble y de un módulo de batería de referencia, en el que el dispositivo de batería extraíble y la referencia del módulo de batería de referencia están conectados en paralelo, y el dispositivo de batería extraíble, que se puede agregar y quitar del circuito de equilibrio de la batería de manera no destructiva, es un dispositivo extraíble que incluye un módulo de batería o un módulo de batería extraíble, comprendiendo el circuito de equilibrio de batería:
- un canal de una carga conectada al módulo de batería de referencia y conectada al dispositivo de batería extraíble por un primer interruptor;
- un canal de carga-descarga desconectado del módulo de batería de referencia, pero conectado al dispositivo de batería extraíble por un segundo interruptor;
- una unidad de microcontrol conectada al módulo de batería de referencia y al módulo de batería extraíble, para acceder a la información del módulo de batería de referencia y del dispositivo de batería extraíble y obtener un valor umbral en función de la tensión del módulo de batería de referencia; y
- un circuito de control de carga-descarga conectado al módulo de batería de referencia por el canal de carga, en el cual, cuando el voltaje del dispositivo de batería extraíble es mayor o menor que el valor umbral, la unidad de microcontrolador controla el primer y segundo interruptores para asegurar que el aparato de batería extraíble está desconectado del canal de carga pero conectado al circuito de control de carga-descarga a través del canal de cargadescarga, y la unidad de microcontrolador sigue cargando el dispositivo de batería extraíble a través del módulo de batería de referencia o descarga la batería extraíble en la referencia módulo de batería.
[0010] Existe por tanto la necesidad de una arquitectura que comprenda varios ramales en paralelo, comprendiendo cada ramal uno o más módulos de batería conectados en serie, debiendo esta arquitectura permitir el aislamiento de uno de los ramales sin interrupción del servicio, y debiendo ser de diseño sencillo y económico.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
[0011] Con este fin, la invención proporciona un método como se define en el conjunto de reivindicaciones adjunto.
[0012] El dispositivo utilizado en el método según la invención permite aislar eléctricamente un ramal que contiene uno o más módulos de batería, conectarlo al convertidor CC/CC y luego realizar la operación de mantenimiento de este ramal, utilizando la potencia disponible. de los módulos de baterías de las ramas n-1. La rama que ha sido aislada se vuelve a conectar a las otras ramas en paralelo para reconstituir el sistema inicial.
[0013] La invención permite realizar operaciones como balancear uno o más módulos de una sucursal, determinar el estado de carga ("State Of Charge" SOC) de uno o más módulos de una sucursal, medir la capacidad de uno o más módulos de una sucursal, sin crear indisponibilidad del servicio para un usuario.
[0014] Una de las características del dispositivo es que utiliza un único convertidor DC/DC reductor-elevador, bidireccional en corriente, que proporciona para cada rama individualmente, es decir una rama tras otra, la operación de mantenimiento. del módulo(s) de dicha sucursal.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
[0015]
La figura 1 representa una arquitectura convencional que comprende un módulo de batería (M) y un dispositivo (BMS) de monitorización del funcionamiento del módulo de batería.
La figura 2 representa una arquitectura en la que cada controlador de rama (BMSi) controla la conexión de la rama (Bi) con la que está asociado al circuito interno (CI) o al circuito externo (CE) y cada controlador de rama controla el desconexión de la rama (Bi) del circuito interno (CI) o del circuito externo (CE). Es una arquitectura descentralizada.
La figura 3 representa una arquitectura en la que un controlador principal (MBMS) ordena a cada controlador de rama (BMS i ) conectar la rama (Bi) con la que está asociado al circuito interno (CI) o al circuito externo (CE) y controla la desconexión del ramal (Bi) del circuito interno (CI) o del circuito externo (CE). Es una arquitectura centralizada.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
[0016] El término “módulo de batería” o “módulo” designa en lo sucesivo un elemento electroquímico o varios elementos electroquímicos conectados en serie o en paralelo o en paralelo-serie o en serie-paralelo, unidos dentro de un mismo recipiente formando el envolvente del módulo, estando dotado cada elemento de los dispositivos necesarios para la conexión eléctrica con los demás elementos del módulo, por ejemplo en forma de regletas metálicas (busbar), dispositivos de medida de los parámetros de funcionamiento del elemento (temperatura, tensión, corriente) y eventualmente dispositivos de seguridad (válvula, tapa).
[0017] El término "derivación de batería" o "derivación" designa a continuación un módulo de batería o varios módulos de batería conectados en serie.
[0018] El término "mantenimiento" designa en lo que sigue una de las siguientes operaciones:
- reposo de uno o más módulos de batería;
- carga parcial o total de uno o más módulos de batería; carga parcial o total de una o más células de un módulo de batería;
- descarga parcial o total de uno o más módulos de batería; descarga parcial o total de un elemento o varios elementos de un módulo de batería;
- determinación del estado de carga (SOC) de uno o más módulos de batería; determinación del estado de carga de uno o más elementos de un módulo de batería; - determinación del estado de salud (SOH) de uno o más módulos de batería; determinación del estado de salud de uno o más elementos de un módulo de batería;
- determinación de la capacidad residual de uno o más módulos de batería; determinación de la capacidad residual de uno o más elementos de un módulo de batería;
- equilibrar las tensiones de los módulos de batería de la misma rama; equilibrar las tensiones de los elementos de un mismo módulo de batería.
[0019] A continuación, se describirá el dispositivo utilizado en el procedimiento según la invención en relación con la figura 2.
[0020] El sistema comprende n ramas de batería conectadas en paralelo, siendo n mayor o igual a 2. La figura 2 muestra un caso particular de tres ramas B1, Bi y Bn conectados en paralelo.
[0021] Una rama comprende uno o más módulos de batería (M1, Mx) conectados en serie.
[0022] El conjunto formado por las distintas ramas en paralelo se conecta a los terminales bien de un cargador (C) bien de un consumidor eléctrico (L). Este conjunto forma el llamado circuito externo (CE). Esto permite que el cargador cargue los módulos de batería o que los módulos de batería se descarguen en el consumidor eléctrico.
[0023] Cada ramal Bi comprende medios para conectar o desconectar dicha ramal al circuito externo. Este medio puede ser un relé (R1). Aparte de las operaciones de mantenimiento, por todos los ramales del circuito exterior pasa una corriente, bien para alimentar al consumidor eléctrico por el módulo o módulos de cada ramal, bien para recargar el módulo o módulos de los ramales por el cargador.
[0024] El dispositivo comprende un circuito interno (CI) a través del cual puede fluir una corriente de carga o descarga durante las operaciones de mantenimiento de una determinada rama. Cada ramal incluye medios para conectar o desconectar dicho ramal al circuito interno. Este medio puede ser un relé (R2).
[0025] El dispositivo consta de un convertidor reductor-elevador CC/CC ("step down-step up"), cuya entrada (E) está conectada al circuito externo y cuya salida (S) está conectada al circuito interno. El convertidor CC/CC es bidireccional en corriente y permite cargar o descargar el/los módulo/s del ramal al que se refiere la operación de mantenimiento. En una realización preferida, el convertidor es un convertidor de tipo “Buck-Boost”.
[0026] El convertidor reductor-elevador CC/CC puede consistir en dos convertidores CC/CC en serie, uno que sirve como convertidor elevador y el otro como convertidor reductor. Se puede interponer un condensador entre estos dos convertidores en serie que permite variar la tensión entre los dos convertidores.
[0027] El convertidor reductor-elevador de CC/CC puede consistir en sí mismo en dos convertidores de CC/CC en paralelo, uno que sirve para aumentar el voltaje y el otro para reducir el voltaje.
[0028] El convertidor CC/CC puede ser o no del tipo aislado.
[0029] Cada rama incluye un controlador de rama (BMS1, BMSi, BMSn). Por lo general, un controlador de sucursal es un sistema electrónico para monitorear los principales parámetros operativos de un módulo de batería ("Sistema de administración de batería"). Mide periódicamente estos parámetros y avisa al usuario cuando uno de los parámetros se sale de un rango nominal de funcionamiento. Cada controlador de ramal actúa sobre los medios de conexión o desconexión (R1) al circuito externo del ramal al que está asociado. Cada controlador de ramal actúa también sobre los medios de conexión o desconexión (R2) al circuito interno del ramal al que está asociado. El hecho de tener un controlador de rama por rama permite que en caso de falla de uno de los controladores de rama queden disponibles las n-1 ramas restantes. Mientras que en el caso de un controlador de sucursal central, si este último falla, todo el dispositivo falla. Por lo tanto, el dispositivo tiene una mejor tolerancia a fallas.
[0030] Según la figura 2, los controladores de rama se comunican entre sí a través de un bus de comunicación. Cada controlador de sucursal se comunica con el convertidor CC/CC y gestiona él mismo el progreso de la operación de mantenimiento de la sucursal con la que está asociado, en función de la información intercambiada con los controladores de sucursal de las otras sucursales. Se trata de una gestión descentralizada de las operaciones de mantenimiento.
[0031] La figura 3 ilustra una variante en la que las operaciones de mantenimiento son gestionadas de forma centralizada por un controlador principal (arquitectura centralizada). Los diversos componentes del sistema se identifican con los mismos signos de referencia que los utilizados en la figura 2. La diferencia entre el sistema de la figura 3 y el de la figura 2 radica en el hecho de que en la figura 3, cada controlador de rama se comunica con un principal controlador ("Master Battery Management System" (MBMS)) a través de un bus de comunicación. El controlador principal recibe información de cada controlador de rama y ordena a cada controlador de rama que conecte o desconecte la rama con la que está asociado ya sea al circuito externo o al circuito externo, o al circuito interno o al circuito interno. El controlador principal desempeña el papel de coordinador entre las sucursales. También controla el convertidor DC/DC y da información al usuario sobre el funcionamiento del sistema.
[0032] A continuación se describirá el funcionamiento del dispositivo con relación a la figura 2.
a) Funcionamiento en modo nominal:
[0033] Fuera de los períodos de mantenimiento, todos los las ramas B1, Bi y Bn están conectadas al circuito externo. Todos los relés R1 del circuito externo están cerrados y todos los relés R2 del circuito interno están abiertos. Los módulos se cargan con el cargador o se descargan en el consumidor eléctrico. No fluye corriente a través del convertidor CC/CC.
b) Operación durante una operación de mantenimiento:
[0034] Sea Bi la rama en la que un módulo requiere una operación de mantenimiento. Cuando el controlador de rama BMSi de la rama Bi detecta que es necesaria una operación de mantenimiento en uno de los módulos M1, Mx de la rama Bi, el controlador de rama b Msí abre el relé R1 del circuito externo de la rama Bi.
[0035] Dependiendo de la operación de mantenimiento, el relé R1 permanece abierto o el controlador de la rama Bi cierra el relé R2 para conectar los módulos de la rama Bi al circuito interno. El relé R1 permanece abierto en el caso de que la operación de mantenimiento consista en un simple reposo del módulo o módulos de la rama Bi. El relé R2 se cierra si la operación de mantenimiento consiste en cargar o descargar el módulo o módulos de la rama Bi. El controlador de derivación controla el convertidor CC/CC de modo que este último active una carga o una descarga del módulo o módulos de la derivación Bi.
[0036] Durante la carga del módulo o módulos de la rama Bi por parte de los módulos de las n-1 ramas, los relés R1 de las n-1 ramas están cerrados. Los módulos de las ramas n-1 continúan suministrando corriente al consumidor eléctrico a través del circuito externo y al mismo tiempo suministran corriente a la entrada del convertidor DC/DC para recargar el módulo o módulos de la rama Bi. La salida del conversor CC/CC alimenta solo el/los módulo(s) de la rama Bi porque el relé R2 de la rama Bi está cerrado y los relés R2 de las n-1 ramas están abiertos.
[0037] Preferentemente, la carga del módulo o módulos de la rama Bi se realiza por los módulos de las n-1 ramas. También es posible prever un modo de funcionamiento menos favorable en el que sólo una parte de las n-1 ramas participe en la carga del módulo o módulos de la rama Bi.
[0038] Si la operación de mantenimiento consiste en una descarga del módulo o módulos de la rama Bi, esta descarga puede ocurrir tanto en los módulos de las ramas n-1, como en el consumidor eléctrico. Durante la descarga, el relé R2 de la rama Bi está cerrado y los relés R1 de las ramas n-1 están cerrados. El convertidor CC/CC es bidireccional en corriente y la conexión que se utilizaba como salida para un mantenimiento consistente en una carga ahora funciona como entrada. Por el contrario, la conexión que se utilizó como entrada en la carga ahora funciona en la salida. Es a través de esta salida que la corriente procedente del módulo o módulos de la rama Bi se descarga en los módulos de las ramas n-1 y/o en el consumidor eléctrico. Durante la descarga del módulo o módulos de la rama Bi, los módulos de las n-1 ramas continúan alimentando al consumidor eléctrico porque los relés R1 de las n-1 ramas están cerrados.
[0039] Preferiblemente, la descarga del o de los módulos de la rama Bi tiene lugar en los módulos de las ramas n-1. También es posible prever un modo de funcionamiento menos favorable en el que sólo una parte de las n-1 ramas participa en la descarga del módulo o módulos de la rama Bi.
[0040] El dispositivo permite realizar la operación de mantenimiento en un solo ramal a la vez. Si varios ramales requieren simultáneamente una operación de mantenimiento, la secuenciación se realiza de modo que siempre, para un dispositivo que comprende n ramales, al menos n-1 ramales conectados al circuito externo. Un algoritmo permite gestionar las prioridades entre las distintas ramas: sincronización distribuida con relojes lógicos, sincronización distribuida mediante token.
[0041] Durante la operación de mantenimiento, el controlador de ramal BMSi realiza una medición periódica de los parámetros operativos del (de los) módulo(s) de ramal y decide detener la operación de mantenimiento cuando los parámetros operativos caen dentro de un rango predeterminado.
c) Vuelta al funcionamiento nominal:
[0042] Antes de ordenar la apertura del relé R2, es decir, la desconexión del ramal Bi del circuito interno y ordenar el cierre de R1, es decir, la conexión del ramal Bi al circuito externo, el controlador de derivación BMSi de la derivación Bi asegura que la tensión de la derivación Bi esté lo suficientemente cerca de la tensión de las otras n-1 derivaciones conectadas en paralelo. Si este no es el caso, el controlador de rama BMSi da una orden al convertidor DC/DC para cargar o descargar la rama Bi. Una vez que se ha alcanzado el voltaje deseado, el controlador de rama BMSi cierra el relé R1 y luego abre el relé R2. La rama Bi se vuelve a conectar así al circuito externo.
[0043] La tensión de la rama Bi puede variar significativamente de la de las n-1 otras ramas, no siguiendo una operación de mantenimiento de la rama Bi que conduce de facto a un desequilibrio de esta rama con respecto a las otras ramas, sino siguiendo, por ejemplo, una fase prolongada de reposo del sistema de baterías. De hecho, dado que las tasas de autodescarga de los módulos pueden diferir, los voltajes de los módulos pueden divergir al final de esta fase prolongada de reposo. En este caso, el controlador de ramal BMS i ordenará al convertidor CC/CC que cargue o descargue el ramal Bi. un 78 Una vez que se alcanza el voltaje deseado, el controlador de ramal BMS i cerrará el relé R1 y luego abrirá el relé R2. La rama Bi se volverá a conectar al circuito externo.
[0044] A continuación se describirá el funcionamiento del dispositivo ilustrado en la figura 3. En esta forma de realización centralizada, el controlador principal MBMS ordena a cada controlador de rama BMSi que conecte o desconecte la rama Bi con la que está asociado, ya sea al circuito interno o al circuito externo.
[0045] Cuando es necesaria una operación de mantenimiento en la rama Bi:
1/ El controlador de rama BMSi de la rama Bi informa al controlador principal MBMS a través de un bus de comunicación;
2/ El controlador principal MBMS autoriza al controlador de rama BMSi de la rama Bi a abrir el relé R1 de la rama Bi;
3/ Dependiendo de la operación de mantenimiento deseada por el controlador de ramal BMSi del ramal Bi, el controlador principal MBMS decide dejar desconectado el ramal Bi dejando abierto el relé R1 o solicitar al controlador de ramal del ramal Bi que cierre R2 para la conexión a la red interna. circuito. Dependiendo de la operación deseada por el controlador de la rama Bi, el controlador principal acciona el convertidor CC/CC para realizar cargas o descargas.
[0046] Es el controlador de ramal BMSi del ramal Bi el que identifica cuando finaliza la operación de mantenimiento, y el que informa al controlador principal. En cuanto al control descentralizado, antes de ordenar la apertura del relé R2, por tanto, la desconexión del ramal Bi del circuito interno, y el cierre del relé R1, por tanto la conexión del ramal Bi al circuito externo, el controlador de La rama BMSi de la rama Bi asegura que el voltaje de la rama Bi esté lo suficientemente cerca del voltaje de las otras n-1 ramas en paralelo. Si este no es el caso, el controlador de rama BMS i de la rama Bi ordena al convertidor CC/CC que cargue o descargue la rama Bi. Una vez que se ha alcanzado el voltaje deseado, el controlador de rama BMS i de la rama Bi cierra el relé R1 y luego abre el relé R2.
[0047] Como se ha explicado para la realización con control descentralizado, el dispositivo sólo permite realizar la operación de mantenimiento en un único ramal a la vez. Si varios ramales solicitan una operación de mantenimiento al mismo tiempo, el controlador principal es responsable de garantizar la secuenciación para que siempre haya al menos n-1 ramales conectados al circuito externo.
[0048] Como la rama Bi ya no está disponible mientras dure la operación de mantenimiento, es necesario que el servicio proporcionado por el dispositivo pueda ser proporcionado por las n-1 otras ramas. En consecuencia, los módulos de batería se eligen de manera que puedan suministrar una corriente suficientemente alta que compense la caída de corriente ligada a la desconexión de la rama Bi del circuito externo durante la operación de mantenimiento.
[0049] A continuación se detallarán ejemplos de operaciones de mantenimiento que permiten optimizar la potencia y/o el rendimiento energético de los módulos de batería.
- Puede ser una suspensión de los módulos de sucursal. Es posible medir su voltaje sin carga después de que se haya estabilizado y el módulo o módulos se pueden volver a conectar al circuito externo cuando su voltaje sin carga está dentro de un rango de valores predeterminados.
- Puede ser un balanceo de uno o más módulos de la sucursal. Durante este balanceo, el o los módulos de la rama que presentan una tensión significativamente diferente a la de los otros módulos de esta rama son sometidos a una descarga parcial o a una carga parcial para homogeneizar las tensiones de los módulos de la rama. También se pueden realizar balanceos para homogeneizar los voltajes de los elementos electroquímicos dentro de un mismo módulo. De hecho, algunas tecnologías requieren periódicamente una carga de equilibrio para homogeneizar los elementos electroquímicos y así optimizar la capacidad electroquímica del módulo.
- Puede ser una descarga completa del o de los módulos del ramal durante la cual se descargan los módulos hasta esperar una tensión de parada predeterminada. Esta operación permite por ejemplo calibrar su estado de carga al 0%. Así es posible medir la capacidad residual del módulo o módulos.
- Puede ser una carga completa de los módulos en el ramal durante la cual se cargan los módulos hasta alcanzar un voltaje de apagado predeterminado. Esta operación permite, por ejemplo, calibrar su estado de carga al 100%.
[0050] Estas operaciones de carga o descarga permiten determinar con precisión el estado de carga de los módulos.
- Cuando los módulos de batería se utilizan durante un período prolongado, por ejemplo, en condiciones de ciclo, las células electroquímicas pierden gradualmente su capacidad. Es necesario que el usuario conozca esta pérdida de capacidad para poder sustituir por un módulo nuevo un módulo que tenga una pérdida de capacidad demasiado grande. La pérdida de capacidad sólo puede conocerse con precisión realizando un ciclo de carga/descarga del módulo.
- Otro caso se refiere a la conexión de un ramal de baterías en paralelo: para evitar picos de corriente demasiado altos y perjudiciales para las baterías del módulo o módulos del ramal a conectar en paralelo, es necesario ajustar los voltajes de batería del módulo(s) de dicha rama a un voltaje cercano al de las otras ramas antes de poder conectarlo
[0051] Además de evitar la interrupción del servicio, el método según la invención permite realizar operaciones de mantenimiento de forma automática o por control remoto. Ya no es necesario enviar personal de mantenimiento, como ocurre actualmente cuando se quiere realizar una prueba de capacidad, por ejemplo, o reconectar un ramal de batería en un sistema multirama.
[0052] Además, en el caso de sustitución de un módulo de baterías en un ramal, es necesario que la tensión del nuevo módulo de baterías sea igual a la de los demás módulos del ramal antes de instalarlo. Actualmente, esto requiere una herramienta de carga/descarga para llevar el voltaje del nuevo módulo al valor deseado. El método según la invención permite eliminar esta herramienta porque permite al usuario llevar la tensión de los módulos del ramal a la misma tensión que la del módulo a instalar. Por lo tanto, el nuevo módulo se puede instalar directamente.
[0053] La invención puede aplicarse a cualquier tecnología de células electroquímicas. Se pueden citar, sin carácter limitativo, elementos de plomo-ácido, elementos con electrolito alcalino, tales como níquel-cadmio e hidruro de níquelmetal, elementos de iones de litio. El dispositivo es particularmente adecuado para células electroquímicas cuyo perfil de carga incluye una zona en la que el voltaje no varía de manera continua proporcional al estado de carga. Estos son elementos cuyo perfil de carga es “plano” en un rango dado de estados de carga, es decir, el voltaje del elemento aumenta poco al aumentar el estado de carga en este rango dado de estados de carga. Se pueden citar elementos electroquímicos cuya materia activa catódica comprende un fosfato litiado de un metal de transición. En este tipo de elementos, la variación de la tensión en circuito abierto en función del estado de carga presenta una zona para un estado de carga entre el 30 y el 90% en el que la tensión en circuito abierto aumenta al menos 10 veces menos rápidamente en función de el estado de carga solo para un estado de carga entre 90 y 100%. Dichos elementos se describen, por ejemplo, en el documento EP-A-2269954.
[0054] Métodos de gestión de carga específicamente adaptados a células electroquímicas de iones de litio que exhiben un perfil de carga plano en un rango dado de estados de carga se describen por ejemplo en EP-A-2 634591 y EP-A-3 01749.
[0055] El dispositivo encuentra muchas aplicaciones en los campos de la aeronáutica., automoción, telecomunicaciones, alumbrado de emergencia y ferroviario.
EJEMPLOS
[0056] A continuación se describen ejemplos de operaciones de mantenimiento.
Ejemplo 1: calibración del estado de carga de un módulo de batería dispuesto en una de las ramas paralelas de un sistema, comprendiendo dicho módulo de batería células electroquímicas de iones de litio en las que el material activo del cátodo está basado en un óxido de metales de transición litiado, el siendo metales de transición níquel, cobalto y aluminio (material activo de tipo NCA), o níquel, manganeso y cobalto (material activo de tipo NMC)
[0057] El estado de carga de un módulo de batería que comprende elementos electroquímicos cuyo material catódico activo se basa en NCA o NMC pueden desviarse durante un largo período de funcionamiento en ciclos de carga/descarga. De hecho, en funcionamiento, el estado de carga de un módulo se calcula sobre la base del balance de amperios hora cargados y descargados y el estado de carga real del módulo puede diferir significativamente del estado de carga calculado por este método basado en culombimetría. Para conocer el estado real de carga del módulo, es necesario poner el módulo en reposo y esperar a que se estabilice la tensión de circuito abierto, o imponer una corriente de descarga baja durante un período de hasta varios minutos. Es posible que a veces no se den estas condiciones, especialmente cuando el sistema de batería se usa las 24 horas del día.
[0058] El dispositivo permite remediar este problema, al permitir que el controlador principal o el controlador de sucursal, según sea una arquitectura centralizada o descentralizada, desconecte la sucursal que contiene el módulo para el cual se desea determinar el estado real de carga. La medición de la tensión sin carga permite, por ejemplo, determinar el estado de carga real del módulo. Una vez realizada esta determinación, el controlador principal o el controlador de ramal controla la carga o descarga del ramal para que la tensión del módulo alcance un valor cercano al de los módulos de los demás ramales.
[0059] Cuando se alcanza el equilibrio entre los voltajes, la rama que contiene el módulo se vuelve a conectar al circuito externo. A continuación, se repite la operación en las otras ramas.
Ejemplo 2: prueba de capacidad
[0060] En un caso de uso típico, un módulo de batería nunca se descarga al 0% de su estado de carga, para evitar los efectos negativos de los estados de carga extremos sobre el envejecimiento del módulo. Por lo tanto, no es fácil tener una estimación precisa de la capacidad real de un módulo, excepto mediante la realización de una prueba de capacidad. Esta prueba de capacidad requiere cargar el módulo a su voltaje de apagado para fijar el estado de carga al 100%, luego descargar el módulo a su voltaje de apagado y medir la capacidad descargada. Esta prueba no se puede realizar cuando el sistema de batería se utiliza las 24 horas del día
[0061] El dispositivo permite remediar este problema, al permitir que el controlador de rama o el controlador principal desconecte la rama del circuito externo, la conecta al circuito interno y realiza el ciclo de carga/descarga como se describe, mientras que las otras ramas permanecen conectadas al circuito externo para dar servicio al usuario. Después de realizar la prueba de capacitancia, el controlador de rama o el controlador principal carga la rama para llevarla al mismo nivel de voltaje que las otras ramas, de modo que pueda volver a conectarse al circuito externo.
[0062] El procedimiento puede repetirse en el resto de los ramales hasta que el sistema completo haya realizado su comprobación de aforo.
Ejemplo 3: calibración del estado de carga y balanceo en un módulo de batería que comprende elementos electroquímicos que presentan un perfil de carga “plano” en un rango dado de estados de carga
[0063] Ciertas aplicaciones como los vehículos híbridos requieren realizar cargas/descargas dentro de una determinada ventana de estados de carga, por ejemplo, entre 30% y 70%, por motivos de rendimiento y preservación de la vida útil de la batería. El estado de carga de un módulo de batería que comprende elementos electroquímicos cuyo material catódico activo tiene un perfil de carga "plano" se desvía después de varios ciclos con respecto al estado de carga estimado por culombimetría. Además, las células electroquímicas se desequilibran después de un cierto período debido a sus diferentes corrientes de autodescarga. Una determinación de los estados de carga de los elementos electroquímicos y una comparación entre los diferentes valores obtenidos permite detectar si ciertos elementos deben someterse a un equilibrado. Sin embargo, el estado de carga de este tipo de elementos con perfil de carga “plano” solo se puede determinar llevando la tensión de estos elementos fuera de la zona plana del perfil de carga, por ejemplo, cargándolos por encima del 90% del estado de carga. Esto significa que el usuario tiene que realizar una carga casi completa del módulo de batería, lo que puede ser problemático. De hecho, el usuario debe utilizar un cargador externo para alcanzar al menos el 90 % del estado de carga. Además, debe detener temporalmente el funcionamiento del sistema.
[0064] El dispositivo permite remediar este problema, permitiendo que el controlador de ramal o el controlador principal aísle un ramal en el circuito interno para cargarlo por encima del 90% del estado de carga, mientras que el estado de carga promedio del el resto de los ramales que quedan conectados al circuito exterior se mantiene entre un 30% y un 70% para seguir alimentando el motor del vehículo híbrido.
[0065] Una vez realizado el equilibrado, el controlador de ramal o el controlador principal manda la descarga del ramal para ponerlo a la altura de los demás ramales para poder reconectarlo al circuito exterior. luego se repite en las otras ramas.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Método para controlar módulos de batería, implementando dicho método un dispositivo para controlar módulos de batería, comprendiendo dicho dispositivo al menos dos ramas (B1, Bi, Bn) conectadas en paralelo, comprendiendo cada rama varias módulos de batería (M1, Mx) conectados en serie, pudiendo cada ramal estar conectado a un circuito interno (CI) o a un circuito externo (CE), pudiendo dicho circuito externo
- cargar los módulos de batería de dicho en menos dos ramas por un cargador (C),
descargar los módulos de batería de dichas al menos dos ramas en un consumidor eléctrico (L), pudiendo dicho circuito interno
- cargar los módulos de batería de una de las ramas por los módulos de batería de una o varios otros ramales y
- descargar los módulos de batería de uno de los ramales en los módulos de batería de uno o más ramales;
dicho dispositivo comprende, además:
- un controlador de rama (BMS1, BMSi, BMSn) por rama, capaz de controlar:
- conexión al circuito externo y desconexión del circuito externo del ramal al que está asociado el controlador de ramal, y
- la conexión al circuito interno y la desconexión al circuito interno del ramal al que está asociado el controlador, y
- un único convertidor CC/CC reductor-elevador, bidireccional con respecto a corriente, cuya entrada está conectada al circuito externo y cuya salida está conectada al circuito interno, capaz de proporcionar, en cada rama individualmente, la carga y descarga del módulo o módulos de dicha rama, comprendiendo dicho método los pasos de
a) conexión de todas las ramas (B1, Bi, Bn) del dispositivo al circuito externo, siendo los módulos de cada rama cargados por el cargador o descargados en el consumidor eléctrico b) desconexión del circuito externo (CE) de una de las ramas Bi del dispositivo o conexión al circuito interno (CI) de una de las ramas Bi del dispositivo,
c) realizar una operación de mantenimiento en los módulos de batería (M1, Mx) de dicha rama Bi; eligiéndose la operación de mantenimiento entre:
- un equilibrado entre las tensiones de los módulos de batería de dicha rama Bi, - una determinación del estado de carga de los módulos de batería de dicha rama Bi, - una determinación de la capacidad de los módulos de batería de dicho ramal Bi, - una determinación del estado de salud de los módulos de batería de dicho ramal Bi, estando los módulos de batería no sometidos a la operación de mantenimiento conectados al circuito externo durante la operación de mantenimiento y continuando alimentando al consumidor eléctrico durante el mantenimiento operación, d) desconexión del circuito interno de dicha rama Bi cuando, en el paso b), dicha rama ha sido conectada al circuito interno
e) reconexión de dicha rama Bi al circuito externo.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la operación de mantenimiento del paso c) comprende una fase de puesta en reposo de los módulos de baterías de dicho ramal.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la operación de mantenimiento del paso c) consiste en una carga parcial o total de los módulos de batería de dicho ramal Bi por parte de los módulos de batería de otro ramal u otros ramales.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que el convertidor CC/CC convierte la tensión de los módulos de batería de la otra rama o de las otras ramas en una tensión de carga de los módulos de dicha rama Bi.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la operación de mantenimiento del paso c) consiste en una descarga parcial o total de los módulos de batería de dicho ramal Bi en los módulos de batería de otro ramal u otros ramales.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que el convertidor CC/CC convierte la tensión de los módulos de batería de dicha rama Bi en una tensión de carga de los módulos de otra u otras ramas.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el paso b) se inicia cuando un controlador de ramal (BMS) detecta que un parámetro de funcionamiento de uno de los módulos de batería de dicho ramal Bi se sale de un rango de valores predeterminado,
- los pasos d) y e) se inician cuando un controlador de ramal detecta que un parámetro de funcionamiento de uno de los módulos de batería de dicho ramal se encuentra dentro de un rango de valores predeterminados
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