ITVI20090254A1

ITVI20090254A1 - Dispositivo di ricarica ed equilibratura di un accumulatore, utilizzato in particolare per la trazione elettrica

Info

Publication number: ITVI20090254A1
Application number: IT000254A
Authority: IT
Inventors: Gioia Massimiliano Di; Michele Pennese
Original assignee: Micro Vett S P A
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-04-21
Also published as: EP2491631A1; WO2011047741A1

Description

Descrizione

Il presente trovato riguarda un dispositivo di ricarica ed equilibratura di un accumulatore, utilizzato in particolare per la trazione elettrica, secondo la parte generale della rivendicazione l; il trovato riguarda inoltre il procedimento di ricarica e di equilibratura di un accumulatore effettuato mediate il dispositivo di cui sopra.

Gli accumulatori di potenza da applicare nel campo delta trazione elettrica sono costituiti da uno o più gruppi, comunemente denominati "pacchi", ognuno dei quali può essere costituito da uno o più moduli, ossia gruppi di celle elementari comiesse tra di loro in modalità serie, parallelo o serie/parallelo.

Le celle elementari sono costituite internamente da un catodo, da un anodo, da un separatore e da un elettrolita, inglobati entro un involucro.

Allo stato attuale della tecnica più avanzata, il catodo e l’elettrolita sono ottenuti, rispettivamente, mediante drogaggi e soluzioni liquide, nonché mediante uno stato polimerico a base di litio, da cui la denominazione di batterie al litio.

Le caratteristiche di conducibilità elettrica deirelettrolita sono influenzate significativamente dai valori di resistenza e capacità elettrica, che possono differire, oltre che per fisiologica dispersione produttiva, anche in base alle condizioni di utilizzo, determinate dalla quantità di energia istantaneamente assorbita o dissipata e dal valore della temperatura della cella stessa.

L<’>efficienza del sistema di accumulo, ossia la sua capacità di accumulare tutta l'energia potenzialmente assorbibile e di rilasciarla fino alla massima scarica accettabile, dipende pertanto dalla capacità di uniformare, o più propriamente, di equalizzare in modo uniforme, il valore della capacità di carica di tutte le celle costituenti il pacco.

Attualmente i metodi utilizzati per garantire questa prestazione sono solitamente basati sulla sintesi di "osservatori” o "modelli di stima” delle caratteristiche delle singole celle, che cercano di individuare i parametri di resistività di ogni singola cella, agendo poi sulle celle a minima e a massima capacità o valore di tensione, al fine di ottimizzarne la capacità di assorbimento.

Vengono pertanto realizzati "osservatori” dello stato delle singole celle, sintetizzati da equazioni differenziali ad elevato numero di gradi di libertà, che richiedono, per la loro taratura, l’acquisizione di molteplici grandezze fìsiche, mediante un numero elevatissimo di esperimenti. Ciò comporta un’elevata complicazione sia dell’ algoritmo di acquisizione e regolazione, da implementare sul controllore in tempo reale dei moduli batterie, sia del numero di esperimenti che deve essere condotto per giungere ad una corretta taratura della funzione stessa, con necessità di ambienti di elaborazione dati complessi e di grande capacità di memoria.

Scopo del presente trovato è quello di prevedere un sistema di controllo che si fondi sull’utilizzazione di un particolare parametro della matematica (la deviazione standard) per determinare se e quali celle evidenziano almeno un parametro elettrico, ad esempio il valore di tensione, al di fuori del campo di accettabilità, in modo di applicare a queste una regolazione, per riportarlo all’interno del campo stesso.

Il metodo di controllo proposto, oggetto del presente trovato, utilizza, anziché le tecniche convenzionali di osservazione o di stima di parametri chimici o elettrici complessi, un osservatore dello stato del sistema di tipo matematico-statistico. E<'>infatti ben noto che molti fenomeni fìsici, di natura meccanica e chimica, possono essere ben descritti in termini probabilistici, essendo possibile rappresentarli, per un minierò di osservazioni tendente ad infinito, attraverso la funzione di distribuzione di probabilità. In particolare, molti di essi sono rappresentabili, direttamente o tramite una opportuna trasformazione, ad esempio di tipo logaritmico, mediante la funzione di Distribuzione Gaussiana o Normale, definita del valore di densità f(x):

caratterizzata dalla proprietà di essere simmetrica e rappresentabile tramite il valore medio della popolazione di campioni osservata (μ) e dal suo scarto quadratico medio , altrimenti detto deviazione standard (σ).

Una importante caratteristica della Distribuzione Gaussiana è che il valore di deviazione standard è indipendente dal valor medio della popolazione di campioni osservata.

Nel caso in oggetto, il sistema da controllare è costituito da un numero elevato di celle elementari; pertanto, dotando ogni cella di almeno un mezzo per il rilievo di un parametro elettrico della stessa, ad esempio il valore di tensione V e osservando l’insieme di detti parametri ad un determinato istante t, si può affermare che la popolazione di campioni raccolti è statisticamente significativa e ne può essere identificata la distribuzione di probabilità.

Esaminando un numero elevato di accumulatori, ognuno a sua volta costituito da più pacchi, realizzati attraverso la connessione in serie o in parallelo di moduli elementari, ognuno a sua volta costituito da gruppi di celle di capacità energetica nominale, si osserva che la distribuzione di probabilità dei parametri elettrici, rappresentativi dello stato di ciascuna singola cella, come ad esempio il valore di tensione t- è di tipo Gaussiano.

In base alla proprietà precedentemente evidenziata, relativa all<'>invarianza della deviazione standard rispetto al valor medio della distribuzione, si può allora assumere tale parametro come rappresentativo dello stato del gruppo di accumulo.

Si può pertanto stabilire il valore limite di deviazione standard rappresentativo di uno stato corretto del sistema da controllare, tipicamente espresso come multiplo di <x, ossia il valore limite ammesso di dispersione dei parametri elettrici. Ad esempio, una soglia fissata a 2 volte il valore di deviazione standard, determina un limite del 4.5% di campioni ammessi, al di fuori della caratteristica tipica; una soglia fissata a 3, determina un limite allo 0.3%; fissando la soglia a 3.5 volte, si controllano i valori in eccesso al limile dello 0.04%.

Imponendo un valore limite amaxsi determina pertanto la soglia di accettabilità del campione, rispetto alla distribuzione statistica tipica e si può attivare una funzione di regolazione dell’energia immagazzinata nelle celle, ad esempio di tipo proporzionale-integrale, per riportare i valori dei parametri elettrici all’ interno della distribuzione ammessa.

Si supponga ora di avere a disposizione un sistema di acquisizione dei parametri elettrici di ogni singola cella, caratterizzato da una frequenza di aggiornamento dell’ informazione adeguata alle caratteristiche dinamiche del segnale, di precisione sufficiente, nonché dei mezzi atti a dissipare l’energia in eccesso o a ricircolare energia fra celle diverse.

Al fine di determinare istantaneamente il valore limite di accettabilità di ogni campione di parametro elettrico rilevato è necessario stimare il valor medio della distribuzione. Fissato l<'>istante di osservazione t in corrispondenza del quale è reso disponibile almeno un valore aggiornato X, di un parametro elettrico di una singola cella elementare, viene calcolato il valore medio stimato della

distribuzione, ad esempio utilizzando un filtro digitale ricorsivo a risposta impulsiva finita, come quello implementato dal calcolo della media mobile con memoria:

Se ad ogni istante t viene reso disponibile un solo campione aggiornato X,-, allora il calcolo dello stimatore può essere semplificato, secondo la formula;

Ad ogni aggiornamento del valore medio della distribuzione, viene calcolato il valore di errore, in eccesso o in difetto, del campione, rispetto alla popolazione tìpica, espresso come:

Il valore dì errore del parametro elettrico analizzato è rappresentativo di un corrispondente eccesso di energia accumulata, se di segno positivo, o di difetto di energia accumulata, se di segno negativo.

Se il sistema di regolazione prevede di poter agire attraverso mezzi di dissipazione dell'energia in eccesso, durante il processo di ricarica e/o di scarica, verrà applicata una azione di scarica dissipativa, sulle celle con energia in eccesso, secondo la legge:

imponendo il vincolo:

∑ P_diss, < P _ diss io ;

Il regolatore proporzionale così realizzato genera una dissipazione di potenza che è funzione del valore di energia in eccesso, rispetto a quello caratteristico della distribuzione a deviazione standard limite viene allora garantita la minimizzazione del valore di potenza termica dissipala, garantendo al tempo stesso la massima efficienza del sistema, tramite l<'>azione in parallelo sul massimo numero di celle ammesso.

Nel caso si disponga di mezzi atti a ricircolare l’energia fra una o più celle il metodo consente di ricircolare la potenza fra le celle a errore £, positivo verso quelle a stnegativo, generando un bilancio energetico favorevole, rispetto al caso puramente dissipativo.

La legge di regolazione è sempre di tipo proporzionale-integrale:

P rie

ε > 0

ma vengono imposti dei vincoli sulla potenza ricircolabile fra le celle ad errore positivo e negativo:

P diss, < P diss

∑ P_ disst< £ P _ disst

essendo i le celle ad errore positivo, j quelle a errore negativo.

Il presente trovato verrà ora illustrato e descritto, facendo riferimento ad una sua particolare forma di realizzazione, resa a titolo di esempio non limitativo, con l<'>aiuto delle tavole di disegno allegate, dove:

- nella fig. 1 (TAV. 1) è illustrato un grafico della funzione di distribuzione Gaussiana o Normale, definita dal valore di densità f(x):

- nelle figg. 2. nonché .3 e 4 (TAV. li), è illustrata, a titolo di esempio, una distribuzione di probabilità di parametri elettrici, rappresentativ i dello stato di ciascuna singola cella:

- nelle tìgg. 5 e 6 (TAV. Ili) è illustrato un grafico della distribuzione delia popolazione dei campioni appartenenti ad un singolo gruppo di accumulo, al variare della quantità di energia immagazzinata nelle singole celle elementari; - nelle figg. 7 e 8 (TAV. IV) sono illustrati due grafici rappresentativi di esempi di gruppi di accumulo che presentano valori di deviazione standard al di fuori i quelli tipici;

- nella fig. 9 (TAV.V) è illustrato uno schema di principio di dispositivo di ricarica ed equilibratura di un accumulatore, che attua i principi di cui al trovato. Osservando la fig. 1 si vede un tipico diagramma della distribuzione Gaussiana o Normale, precedentemente illustrato e descritto.

Esaminando attentamente le figg. 2, 3 e 4, si osserva che, considerando un elevato numero di accumulatori, ognuno a sua volta costituito da più pacchi, realizzati attraverso la connessione in serie/parallelo di moduli elementari, ognuno a sua volta costituito da gruppi di celle di capacità energetica normale, la distribuzione di probabilità dei parametri elettrici rappresentativi dello stato di ogni singola cella che, a titolo di esempio, possono essere costituiti da valori di tensione Vi, risulta appunto di tipo Gaussiano.

La stessa proprietà si evidenza anche osservando la popolazione dei campioni appartenenti ad un singolo gruppo di accumulo, al variare della quantità di energia immagazzinata nelle singole celle elementari, come ben visibile nelle figg. 5 e 6.

Viceversa nelle figg. 7 e 8 sono riportati due esempi di gruppi di accumulo che presentano valori di deviazione standard al di fuori di quelli tipici. In entrambe queste situazioni il processo di ricarica e di scarica dei gruppi di accumulo è compromesso, con una forte limitazione della capacità complessiva di accumulo, limitata dallo sbilanciamento di capacità delle singole celle. Ne risulta pertanto una limitazione dell’efficienza complessiva del sistema di accumulo e quindi, in ultima analisi, dell’efficienza della trazione.

Dal punto di vista operativo, il dispositivo secondo il trovato è in grado di agire su un accumulatore U (vedi fig. 9) costituito da uno o più moduli 2, connessi in serie o in parallelo, ognuno dei quali, a sua volta, è suscettibile di essere costituito da una pluralità di celle.

Secondo il trovato, tale dispositivo è dotato di mezzi 4 atti a rilevare almeno un parametro significativo dello stato di carica di ogni singola cella. Dal punto di vista operativo tale parametro sarà costituito prevalentemente, anche se non esclusivamente, dal valore di tensione di ogni singola cella. Il trovato prevede inoltre un’ unità di elaborazione 7 atta a determinare se lo stato di carica di ogni singola cella rientra all<*>interno di una caratteristica prefissata.

Secondo il trovato tale unità di elaborazione è dotata di un algoritmo atto a determinare, in tempo reale, se il parametro misurato rappresentativo dello stato di carica di ogni singola cella rientra all’ interno della caratteristica prefissata. Tale caratteristica è determinata attraverso la stima della varianza della popolazione dei parametri misurati, rappresentativi dello stato di carica di ogni singola cella. Tale stima della varianza è calcolata istantaneamente, ad ogni nuova acquisizione di parametro rappresentativo dello stato di carica di ogni singola cella e tale stima della varianza è confrontata con una valore minimo, rappresentativo del limite massimo accettabile dello stato di carica di ogni singola cella, in rapporto a quello di tutte le altre celie presenti nel gruppo o nel modulo dì accumulo.

Deta stima della varianza e deto valore limite sono utilizzati per determinare lo scostamento del parametro rappresentativo dello stato di carica di ogni singola cella, rispetto a quello medio della popolazione delle misure.

Sono infine previsti dei mezzi ati a riequilibrare la potenza elettrica in eccesso o in difetto di scostamento, durante la fase di ricarica e/o di scarica delfiaccumulatore.

In particolare tali mezzi possono essere ati a dissipare la potenza elettrica in eccesso in corrispondenza delle celle in eccesso di scostamento. In alternativa tali mezzi sono atti a determinare la circolazione con la cella in eccesso di scostamento ed una o più celle in difetto di scostamento, durante la fase di ricarica e/o di scarica det'accumulatore.

E chiaro che, da un punto di vista di principio, la seconda soluzione risulterebbe preferibile, dal momento che non si avrebbe uno spreco di energia come nel caso precedente. Tuttavia il primo sistema è certamente più semplice dal punto di vista costruttivo e funzionale rispetto al secondo sistema, ciò che è suscetibile di comportare costi di produzione maggiori nel primo caso.

Claims

Rivendicazioni I DISPOSITIVO DI RICARICA ED EQUILIBRATURA DI UN ACCUMULATORE, UTILIZZATO IN PARTICOLARE PER LA TRAZIONE ELETTRICA; detto dispositivo agendo su un accumulatore (I ), costituito da uno o più moduli (2). connessi in serie o in parallelo, ognuno dei quali, a sua volta, è suscettibile di essere costituito da una pluralità di celle (3); detto dispositivo essendo caratterizzato dal fatto di essere dotato di mezzi (4) atti a rilevare almeno un parametro significativo dello stato di carica di ogni singola cella; di un<'>unità (6) di acquisizione di detti parametri, rappresentativi dello stato di carica di ogni singola cella; di un'unità di elaborazione (7), atta a determinare se lo stato di carica di ogni singola cella rientri all<'>interno di una caratteristica prefissata; detta unità di elaborazione essendo dotata di un algoritmo atto a determinare, in tempo reale, se il parametro misurato rappresentativo dello stato di carica di ogni singola cella rientra all’ interno della caratteristica prefissata, detta caratteristica essendo determinata attraverso la stima della varianza della popolazione dei parametri misurati, rappresentativi dello stato di carica di ogni singola cella, detta stima della varianza essendo calcolata istantaneamente, ad ogni nuova acquisizione di parametro rappresentativo dello stato di carica di ogni singola cella, detta stima della varianza essendo confrontata con un valore limite, rappresentativo del limite massimo accettabile dello stato di carica di ogni singola cella, in rapporto a quello di tutte le altre celle presenti ne! gruppo o nel modulo di accumulo, detta stima della varianza e detto valore limite essendo utilizzati per determinare lo scostamento del parametro rappresentativo dello stato di carica di ogni singola cella, rispetto a quello medio della popolazione delle misure: essendo infine previsti dei mezzi atti a riequilibrare la potenza elettrica in eccesso o in difetto di scostamento, durante la fase di ricarica e/o di scarica dell'accumulatore.
2. DISPOSITIVO, secondo la rivendicazione I, caratterizzato dal fatto di prevedere dei mezzi (8) atti a dissipare la potenza elettrica in eccesso in corrispondenza delle celle in eccesso di scostamento.
3. DISPOSITIVO, secondo la rivendicazione I, caratterizzato dal fatto di prevedere dei mezzi atti a determinare la circolazione fra una cella in eccesso di scostamento ed una o più celle in difetto di scostamento, durante la fase di ricarica e/o di scarica dell’accumulatore.
4. DISPOSITIVO, secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto di prevedere dei mezzi atti a rilevare il valore di tensione di ogni singola cella.
5. PROCEDIMENTO DI RICARICA E DI EQUILIBRATURA DI UN ACCUMULATORE, effettuato mediante il dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - rilevazione di almeno un parametro significativo dello stato di carica di ogni singola cella; - acquisizione del cosiddetto parametro e determinazione dello stato di carica di ogni singola cella al fine di verificare se tale parametro rientra all’interno di una caratteristica prefissata; - determinazione, in tempo reale, se il parametro misurato, rappresentativo dello stato di carica di ogni singola celta, rientra all<'>interno della caratteristica, detta caratteristica essendo determinata attraverso la stima della varianza della popolazione dei parametri misurati, rappresentativi dello stato di carica di una singola cella; - ricalcolo istantaneo di detta stima della varianza, in corrispondenza di ogni nuova acquisizione di un parametro rappresentativo dello stato di carica di una singola cella; - confronto di detta stima della varianza con un valore limite, rappresentativo del limite massimo accettabile dello stato di carica di ogni singola cella, in rapporto a quello di tutte le altre celle presenti nel gruppo o nel modulo di accumulo; - utilizzazione di detta stima della varianza e di detto valore limite per determinare lo scostamento del parametro rappresentativo dello stato di carica di una singola cella, rispetto a quello medio della popolazione delle misure.
6. PROCEDIMENTO, secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il parametro significativo dello stato di carica di ogni singola cella che viene rilevato è costituito dal valore di tensione della cella stessa.
7. PROCEDIMENTO, secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che lo scostamento del parametro rappresentativo dello stato di carica di una singola cella è utilizzato per determinare la quantità di potenza elettrica che deve essere dissipata, oppure ricircolata fra una cella in eccesso dì scostamento ed una o più celle in difetto di scostamento, durante la fase di ricarica e/o di scarica dell’accumulatore.