MXPA05013962A

MXPA05013962A - Dispositivo para almacenamiento de energia en dos etapas.

Info

Publication number: MXPA05013962A
Application number: MXPA05013962A
Authority: MX
Inventors: Zuohang Zhu
Original assignee: Ecosol Solar Technologies Ltd
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-08-11
Also published as: CN1836348A; JP2007526730A; WO2004114433A2; EP1644996A4; EP1644996A2; AU2004250664A1; BRPI0411593A; US20060133003A1; AU2004250664B2; CA2552910C; CA2552910A1; US7545117B2; WO2004114433A3

Abstract

Un dispositivo electronico, el cual captura y acumula niveles variados de energia electrica en medios de almacenamiento de corto plazo adecuados hasta que la energia sea de tal nivel que pueda transferirse eficientemente a por lo menos un medio de dispositivo de almacenamiento de largo plazo, tal como baterias electroquimicas. La invencion ademas permite la transferencia simultanea a una variedad de baterias electroquimicas, las cuales poseen diferentes quimicas de almacenamiento.

Description

DISPOSITIVO PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN DOS ETAPAS CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a manejo de potencia electrónica y dispositivos de almacenamiento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Dispositivos electrónicos y eléctricos portátiles (PED) requieren fuentes de potencias ligeras y compactas. Mientras algunos dispositivos de muy baja potencia (por ejemplo, calculadoras) pueden energizarse directamente de fuentes de energía tales como placas fotovoltaicas (PV), para muchos PED prácticos, se requiere un dispositivo de almacenamiento de energía de más alta capacidad tal como una batería electroquímica (batería). Muchos PED emplean baterías recargables como un medio para almacenar energía durante un proceso de recarga y después liberan la energía almacenada mientras el PED está en uso. Como se conoce bien por aquellos con experiencia en la técnica, las baterías electroquímicas tienen requerimientos específicos de carga segura y eficiente. Estos requerimientos específicos varían por la tecnología específica de la batería pero en todos los casos, la carga segura y eficiente requiere aplicar energía dentro de niveles específicos de voltaje y corriente durante periodos específicos de tiempo. Por esta razón, la fuente de energía típica empleada para cargar baterías generalmente es de fuente de energía estacionaria y mucho más grande tal como por ejemplo, red principal de la instalación eléctrica o una batería para automóvil. La necesidad de tener acceso a una fuente de potencia grande en una ubicación estacionaria fija con frecuencia no es conveniente puesto que la naturaleza real de un PED es que el PED es portátil y con frecuencia durante el uso, a cierta distancia lejos de una fuente de potencia estacionaria grande para recargar la batería. Como también se conoce bien por aquellos con experiencia en la técnica, existen muchas fuentes de energía potenciales que pueden emplearse para recargar una batería. Sin embargo, muchas de estas alternativas para fuentes de energía fijas grandes a menudo son de una naturaleza intermitente y pueden ser de un nivel demasiado bajo para transformarse por métodos convencionales para adecuar los niveles específicos de voltaje y corriente necesarios para cargar segura y eficientemente una batería. Ejemplos de tales fuentes de energía alternativas potenciales son placas fotovoltaicas, generadores mecánicos electromagnéticos manualmente operados, y aún conexiones breves a redes principales de la instalación eléctrica (siempre que un usuario pueda pausar brevemente tales redes principales cercanas). Varios medios simples para recargar una betería electroquímica que utilizan fuentes intermitentes y variables tales como placas fotovoltaicas se conocen bien en la técnica anterior. Un ejemplo de tal sistema se encuentra en la Patente Norteamericana No. 3,921,041 titulada "Circuito de Carga para Dispositivos Operados por Batería Energizados por Celdas Solares", expedida a Geoffrey Mellors, et al. el 18 de noviembre de 1975. La Figura 1 representa un circuito empleado por Mellors en esta patente. En el sistema de la Figura 1, la batería 102 sólo puede cargarse efectivamente cuando existe suficiente intensidad de luz de manera que la salida del voltaje de la placa 106 PV excede el voltaje de la batería más el umbral del diodo de polarización directa del dispositivo 104. En este caso, cualquier energía generada por la PV que esté por debajo del umbral de voltaje y corriente se desperdicia puesto que no puede cargar la batería B1. Un problema adicional con el procedimiento de la Figura 1, es que algunas tecnologías modernas de baterías tales como Litio-lón no pueden cargarse en forma segura sin electrónica de manejo de carga para limitar los niveles de voltaje y corriente en la batería B1. Tal electrónica de manejo de carga puede tener niveles de voltaje y corriente aún más demandantes que cargar la batería directamente. Por esta razón, no es extraño emplear electrónica de manejo de carga entre la placa PV y la batería. Un ejemplo de tal sistema se ilustra en la Figura 2. En esta Figura, un circuito electrónico de alta eficacia, típicamente en forma de un convertidor 204 de CD a CD y circuitería de regulación y detección asociada (no mostrada), se utiliza para convertir el voltaje de CD de la disposición de placas 202 PV en un voltaje más adecuado que una conexión directa entre las placas PV y la batería como en la Figura 1. Mientras el procedimiento en la Figura 2 es una mejora sobre aquel de la Figura 1, aún sufre de la incapacidad de hacer uso efectivamente de bajos niveles o periodos breves de iluminación por dos razones relacionadas: 1) Si el nivel de iluminación es de un nivel bajo, el voltaje generado por la placa PV no será suficiente para operar el convertidor de CD a CD ya que cualquier dispositivo electrónico práctico requiere voltajes por arriba de cero para operar con eficacia. Y 2) Si existen niveles muy elevados de iluminación durante un breve periodo, las placas PV pueden producir más energía que las baterías que pueden absorberse en forma segura durante el breve periodo de iluminación. En este caso el exceso de energía generado por las placas PV se desperdiciará puesto que no puede capturarse y almacenarse en la batería. La Patente Norteamericana No. 3,921,049 titulada "Sistema de Potencia Solar sin Batería" y expedida a Miguel Timm el 9 de abril 2002, reconoce el valor de capturar energía variable e intermitente tal como de una fuente de placa PV y acumula esta energía en un condensador. Sin embargo, esta invención emplea la energía almacenada para operar un dispositivo directamente.

Cuando este almacén de energía almacenada se agota lo suficiente, el dispositivo cesa la operación. Consecuentemente, su uso se limita a aplicaciones específicas donde tales interrupciones son admisibles. Existe una necesidad en la técnica anterior de proporcionar el medio para la captura eficiente, acumulación y uso de fuentes de energía alternativas potenciales cuyo suministro puede ser intermitente y variable en magnitud. Tales fuentes alternativas de energía incluyen placas fotovoltaicas, generadores mecánicos electromagnéticos manualmente operados, potencia eólica, y potencia ondulatoria. Además, existe una necesidad de proporcionar un medio efectivo para utilizar esta energía capturada para recargar apropiada y eficazmente la o las fuentes de potencia de baterías de un dispositivo eléctrico.

ARTE PREVIO La presente invención proporciona un sistema y método mediante los cuales puede acumularse y utilizarse fuentes de energía intermedias y variables como una fuente de potencia efectiva para varios dispositivos eléctricos que se energizan por batería. De acuerdo con la presente invención, la fuente de energía variable e intermitente se proporciona a una etapa intermedia o primera del almacén de energía. Esta primera etapa del almacén de energía entonces se conecta mediante un componente de manejo de carga de batería a un dispositivo de almacenamiento de segunda etapa en forma de una batería electroquímica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos anexos, incorporados en y que forman parte de la especificación, ilustran varios aspectos de la presente invención y, junto con sus descripciones, sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos: La Figura 1 ilustra un sistema de la técnica anterior que emplea tecnología de PV para recargar una batería; la Figura 2 ilustra un sistema de carga de PV de la técnica anterior que utiliza electrónica de manejo de carga; A-Disposición de placa PV; B-Convertidor CD a CD de alta eficiencia; paquete de batería. la Figura 3 es un diagrama de bloque general de la presente invención; A- Disposición de placa PV; B-dispositivo de almacenaje de energía; C-Convertidor CD a CD de alta eficiencia; C'-Tipo de Batería; D-paquete de batería Litio-lón; E-Sensor de voltaje; F- Acumulación & Carga; G-Lógico de control; H-Sensor de corriente; l-Sobrevoltaje purgado; y la Figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de la operación del componente lógico de control de la modalidad de la Figura 3. A-Inicio; B-Voltaje de carga disponible; C-SI; D-No; E-Vbtt>Vmax_ram; F-Vbtt>Vmax_nmh O CurAcc> = CARmax_nmh; G-Etiqueta de Carga=Apagado; H- Vbtt<V_enable?ram?; l-Vbtt<V_ariable_nmh?- DESCRIPCIÓN DETALLADA Una modalidad de la invención se representa en la Figura 3. En esta Figura, características funcionales se ilustran en la parte superior de la figura mientras los componentes de circuito que corresponden a aquellas características se ilustran en lo siguiente. Como se ilustra, esta modalidad comprende una disposición 302 PV como un ejemplo de una fuente de energía variable e intermitente. Modalidades alternativas de la invención permiten el uso de material PV en su estado primario (es decir, sin una estructura de disposición). La energía recolectada de esta fuente se proporciona a un primer medio 304 de almacenamiento de energía temporal de primera etapa, tal como un condensador 310 de alto valor - como puede entenderse por un condensador de doble capa eléctrico (también conocido como Ultra condensador o supercondensador). La invención no se limita a tal condensador de doble capa ya que modalidades adicionales de la invención utilizan varios dispositivos eléctricos que muestran comportamiento de capacitancia o seudo-capacitancia y que tienen una Resistencia Equivalente en Serie (ESR) baja. El medio de almacenamiento de energía de primera etapa se refiere en la presente como almacenamiento temporal para distinguirlo de las propiedades de almacenamiento permanente de una betería típica. Las propiedades importantes del medio de almacenamiento de energía de primera etapa son que puede aceptar y acumular eficientemente niveles de energía aún bajos de la fuente 302 de energía sin un umbral y sin desperdicio. El medio 304 de almacenamiento de energía de primera etapa se conecta a un convertidor 306 y 312 de CD a CD conmutable. Los elementos de regulación, transformación, y acondicionamiento de potencia adecuados en el convertidor de CD a CD aceptan la energía de la primera etapa del dispositivo de almacenamiento y la emplean para cargar eficientemente y en forma segura un dispositivo de almacenamiento de segunda etapa. Además del convertidor 312 de CD a CD ilustrado en el diagrama de circuito de la Figura 3, también se representa un componente 314 lógico de control. El componente 314 lógico de control vigila el nivel de voltaje del medio 310 de almacenamiento de energía de primera etapa y cuando un sensor 316 de voltaje reconoce que el voltaje excede un umbral preestablecido, activa un conmutador 313 de FET y el convertidor 312 de CD a CD. En una modalidad adicional de la invención, la lógica de control también proporciona un medio para proteger al medio 310 de almacenamiento de energía de primera etapa de condiciones de voltaje excesivo que pueden dañarlo. En particular, un conmutador 318 se emplea para purgar el exceso de energía y para limitar por consiguiente el voltaje máximo a través del medio 310 de almacenamiento de energía de primera etapa. Una característica adicional de la lógica de control es un sensor 320 de flujo de corriente. El sensor de flujo de corriente puede determinar si la fuente 302 de energía es lo suficientemente fuerte para generar corriente en el medio 310 de almacenamiento de energía. Si la energía de la fuente provoca que el flujo de corriente se invierta descargando con esto el medio 310 de almacenamiento de energía, el sensor 320 de flujo de corriente señala al componente 314 lógico de control transferir la energía del medio 310 de almacenamiento si el voltaje está bajo el umbral óptimo. También ilustrado en la Figura 3 se encuentra un dispositivo de almacenamiento de energía de segunda etapa, un dispositivo 308 de almacenamiento permanente mostrado con una batería de Litio-lón como un ejemplo. Como se utiliza en la presente, un dispositivo de almacenamiento permanente se define como el dispositivo de almacenamiento de energía empleado para almacenamiento a largo plazo con una capacidad de energía significativamente mayor (mayor intensidad) que el medio 304 de almacenamiento temporal de primera etapa. Se debe observar que mientras la Figura 3 representa una batería sencilla de Litio-lón como el segundo dispositivo de almacenamiento que se carga por la invención, otros tipos de baterías que tienen diversas químicas de batería se contemplan por la invención. El componente 314 lógico de control controla apropiadamente el voltaje y corriente en el proceso de carga del segundo dispositivo de almacenamiento particular. Además, la invención no se limita sólo a un segundo dispositivo de almacenamiento sencillo ya que se contemplan por la ¡nvención múltiples dispositivos de almacenamiento, cada uno teniendo requerimientos de carga potencialmente diferentes. Por consiguiente, el componente lógico de control controla apropiadamente el voltaje y corriente relacionados con los requerimientos de carga de cada uno de estos segundos dispositivos de almacenamiento. El componente 314 de lógica de control ahora se discutirá en mayor detalle. En operación y nuevamente con referencia a la modalidad representada en la Figura 3, una corriente de la disposición 302 PV se detecta por una resistencia 315 de detección de corriente y la señal de voltaje resultante se amplifica en una forma lineal por el amplificador 320 operacional. La señal amplificada producida se alimenta a un convertidor de análogo a digital dentro del componente 314 lógico de control. El componente lógico de control permite que el establecimiento de varios valores de umbral, incluya los parámetros de operación de los diversos componentes de almacenamiento de energía temporales y permanentes contenidos en el sistema. Esta característica de la invención se implementa mediante código programable de software, un chip lógico programable (es decir, firmware), conectores de espiga para hardware, y combinaciones de los mismos. Los materiales de almacenamiento permanente tienden a basarse en químicos en naturaleza y muestran mayor densidad de almacenamiento de energía eléctrica. Los materiales de almacenamiento temporal almacenan electrones en la base de área superficial disponible y por la tanto muestran baja densidad de almacenamiento de energía eléctrica. Basándose en los análisis de señales, el componente 314 lógico de control puede determinar la magnitud y dirección de los flujos de energía eléctrica dentro del sistema. Como resultado puede efectuar las diversas funciones notadas en lo anterior (por ejemplo, detectar el voltaje en exceso o invertir el flujo de corriente con respecto al medio 310 de almacenamiento). Además, el componente 310 lógico de control entonces puede aplicar esta energía para operar cualquier aplicación que requiera energía eléctrica que pueda desearse, por ejemplo, dispositivos electrónicos portátiles (teléfonos celulares, dispositivos de cómputo de bolsillo, etc.). Como se observa en lo anterior, una característica importante de la presente invención es su capacidad de recargar una o más baterías de diferentes químicas de batería. La Figura 4 ilustra esta característica con respecto a dos tipos de batería: una batería de Manganeso Alcalina Recargable (RAM) y una batería de Hidrato Metálico de Níquel (NMh). En la ubicación de Inicio (elemento 400) varias etapas de iniciación se realizan para incluir establecer la Etiqueta de Carga en un Estado Apagado. La etiqueta de carga es la indicación para que el sistema comience/continúe la operación de carga de las baterías. El algoritmo representado se realiza cíclicamente bajo el control de un cronómetro. Cada ciclo comienza en el punto 401. Al comienzo de cada ciclo, se hace una etapa de determinación (401) de si está disponible o no corriente de carga. Con referencia a la Figura 3, esto puede corresponder al sensor 316 de voltaje que reconoce que el primer medio de almacenamiento de energía ha acumulado suficiente voltaje. En caso de que esté carente voltaje disponible, la etiqueta de carga se establece APAGADO (Etapa 422) y el sistema simplemente espera hasta el siguiente ciclo. Con voltaje de carga disponible presente, el sistema entonces comienza (etapa 404) en la ramificación de decisión de carga apropiada para cada batería disponible que se ha asignado para cargarse por el sistema. En este ejemplo, están presentes dos baterías. Viendo primero el ejemplo de batería de RAM, el sistema determina (en la etapa 406) si la batería está en su voltaje máximo (es decir, Vmax am). Si es así, la etiqueta de carga se estable en APAGADO. Si no es así, la carga puede no comenzar ya que el sistema entonces busca ver (en la etapa 414) si el voltaje de la batería se ha reducido a un valor de voltaje de umbral (es decir, V_enable_ram). Por medio del ejemplo, este umbral puede establecerse en 90% del valor máximo y evita cargar innecesariamente una batería que no lo requiere. Si la batería no ha caído aún a ese nivel, el algoritmo sólo espera el comienzo de otro ciclo. Si la batería si cae bajo el umbral, la etiqueta de carga se estable en ENCENDIDO. La carga puede continuar entonces a través de ciclos sucesivos hasta que la batería haya obtenido su voltaje máximo (etapa 406) o el voltaje de carga ya no esté disponible (etapa 402). Como se representa en la Figura 4, si una batería de NMh se detecta en la etapa 404, su operación de carga se lleva a cabo de la misma forma, pero con diferentes parámetros de umbral que se comparan (por ejemplo, en las etapas 408 y 416). Se debe observar que el algoritmo ilustrado en la Figura 4 permite la carga simultánea de ambas baterías. Las descripciones anteriores de la presente invención se han presentado para propósitos de ilustración y descripción. No se pretenden para ser exhaustivos o para limitar la invención a las formas precisas descritas. Muchas alternativas, modificaciones, y variaciones serán aparentes para aquellos con experiencia en la técnica en vista de la enseñanza anterior. Por consiguiente, la invención se pretende para abarcar todas las alternativas, modificaciones y variaciones que caigan dentro del espíritu y amplio alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un dispositivo electrónico que captura y acumula niveles variables de energía eléctrica en un medio de almacenamiento temporal hasta que la energía acumulada sea de tal nivel que pueda transferirse eficientemente a un medio de almacenamiento permanente, el dispositivo caracterizado porque comprende: a) una fuente de energía variable e intermitente; b) un medio de almacenamiento de energía de primera etapa adecuado para capturar y acumular la energía de la fuente; c) un medio de almacenamiento de energía de segunda etapa, que es capaz de recibir una carga y almacenar esta carga para su uso posterior; y d) un medio electrónico que detecta y vigila la energía acumulada en el medio de almacenamiento de primera etapa y después activa un medio electrónico de manejo de carga donde existe suficiente energía en el almacén de primera etapa para cargar eficientemente el medio de almacenamiento de energía de segunda etapa.
2. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio de almacenamiento de energía de primera etapa comprende un dispositivo eléctrico que muestra comportamiento de capacitancia o seudo-capacitancia y tiene una Resistencia Equivalente en Serie (ESR) baja.
3. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un circuito de control que detecta una condición de exceso de voltaje en el medio de almacenamiento de energía de primera etapa y limita el voltaje a un nivel seguro.
4. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende un circuito de control que detecta la dirección de corriente "dentro" versus "fuera de" el medio de almacenamiento de energía de primera etapa y activa la transferencia de cualquier energía útil del medio de almacenamiento de primera etapa al medio de almacenamiento de segunda etapa aún si el voltaje en el medio de almacenamiento de primera etapa no es óptimo para tal transferencia.
5. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de energía se selecciona del grupo que consiste de placas fotovoltaicas, generadores mecánicos electromagnéticos manualmente operados, potencia eólica, potencia ondulatoria, red principal de instalación eléctrica, transformadores de CA, transformadores de CD, y combinaciones de los mismos.
6. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende por lo menos dos medios de almacenamiento de energía de primera etapa.
7. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende por lo menos dos medios de almacenamiento de energía de segunda etapa.
8. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la electrónica de manejo de carga comprende un medio programable para establecer parámetros utilizados para efectuar carga eficiente del medio de almacenamiento de segunda etapa.
9. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el medio programable se selecciona del grupo que consiste de código programable de software, chips lógicos programables, conectores de espiga para hardware, y combinaciones de los mismos.
10. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el medio electrónico de manejo de carga permite la carga independiente de por lo menos alguno de por lo menos dos medios de almacenamiento de segunda etapa.