MXPA06007259A - Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterias para respaldo de energia. - Google Patents

Abstract

El presente invento constituye un sistema de monitoreo periodico para arreglos de baterias, que proporciona informacion historica acerca de las condiciones operativas de cada una de las celdas o baterias que forman un sistema de respaldo de energia. El sistema de monitoreo incluye modulos de adquisicion acoplados a cada una de las baterias dentro del arreglo, que miden y almacenan en forma autonoma y periodica los parametros de la celda correspondiente. Un enlace de comunicacion serial conecta a multiples modulos de adquisicion con un concentrador de datos, que se encarga de colectar y registrar la informacion obtenida por los modulos, medir y registrar las variables fisicas representativas de la operacion del banco completo y enviar la informacion hacia la estacion central. La estacion central permite operar el sistema a traves de una interfaz grafica de usuario, la informacion recibida de uno o mas concentradores de datos se procesa, almacena y despliega mediante graficas que permiten analizar el comportamiento de las baterias del banco, facilitando la deteccion de las celdas con mayor probabilidad de falla en apoyo a las acciones de diagnostico y mantenimiento del banco.

Description

SISTEMA. DE MONITOREO DISTRIBUIDO EN BANCOS O ARREGLOS DE BATERÍAS PARA RESPALDO DE ENERGÍA CAMPO DE LA INVENCIÓN Y ANTECEDENTES Las baterías son dispositivos que almacenan energía química y la liberan en forma de electricidad. Cada batería puede constar de un ensamble de una o más celdas individuales que se conectan en cadenas seriales para alcanzar el voltaje que requiere una aplicación, de manera similar un número de cadenas puede conectarse en paralelo para tener un arreglo o banco de baterías con una capacidad mayor de suministro de corriente. La utilización de arreglos de baterías recargables es común en aplicaciones que implican el almacenamiento de energía eléctrica, donde pueden proporcionar energía en forma continua a una carga principal, por ejemplo en vehículos eléctricos o equipos remotos de comunicación, o como fuentes de respaldo cuando ocurre una falla en el suministro principal de energía en equipos y cargas criticas donde la interrupción de energía significa la pérdida de información o servicios. En la medida en que crece la utilización de baterías recargables aumenta la demanda de una vida útil más larga así como de mantenimiento más sencillo y barato. La operación de las baterías industriales usadas en los bancos 'de respaldo depende de diversos factores como: tipo de celda, temperatura, régimen de trabajo, antigüedad, entre otros. Las baterías deben ser recargadas de forma periódica, pero este proceso no es tan simple como aplicar un voltaje o hacer fluir una corriente hacia las baterías, sino que el patrón de carga y descarga afecta de modo importante el ciclo de vida útil de las baterías, por lo que es muy importante contar con información detallada de las características operativas actuales, así como del comportamiento histórico, de cada una de las baterías que formen parte de un arreglo, ya que la falla de una celda afecta al banco completo: Obtener el comportamiento de carga y descarga de cada una de las baterías en un arreglo, evaluar su desempeño e identificar celdas o baterías específicas que presentan degradación o fallas y que requieren mantenimiento o reemplazo, es una tarea complicada sin un mecanismo automatizado de monitoreo que permita colectar los parámetros físicos relevantes de cada celda, como pueden ser: voltaje, temperatura, resistencia interna o gravedad específica, así como los parámetros del arreglo completo: voltaje total, corriente, temperatura ambiente, resistencia entre conexiones, etc. Para asegurar la operación confiable de un banco de baterías y apoyar el servicio de mantenimiento que incremente la vida útil de las mismas, en el presente invento se describe un sistema de monitoreo periódico y continuo que proporciona información detallada acerca del estado operativo de cada una de las celdas que integran un sistema de respaldo.

Con la finalidad de determinar si el invento que se reclama es nuevo y resultado de una actividad inventiva, se hace referencia a las siguientes patentes dentro del estado de la técnica existente: En la patente de E. E. U. U con número 6,803,678 (Battery Communication System, octubre de 2004) se describe un sistema de comunicación para colectar información del estado de una o más baterías de respaldo y comunicar estos datos al usuario de un sistema ininterrumpible de alimentación. Este sistema consta de varios procesadores monitores de baterías, cada uno acoplado a una batería de respaldo, y un procesador principal configurado para recibir los datos de los procesadores monitores de baterías. El procesador principal envía comandos a los monitores que a su vez los regeneran y los transmiten a los otros monitores, en respuesta a los comandos, los monitores envían los paquetes de información de las baterías de regreso al procesador principal . Los comandos se transmiten a los monitores hasta que el procesador principal detecta que ya no recibe información de regreso, por lo que si un procesador monitor falla en retransmitir los comandos o las respuestas, se interrumpe el proceso de recopilación de la información de los monitores restantes . En el invento citado se incluyen además elementos de potencia controlados por el procesador principal para regular la conexión y desconexión de la fuente principal de alimentación así como para realizar el cargado de las baterías, por lo que el sistema no está diseñado para operar con mecanismos de cargado preexistentes en un sistema de respaldo . En la patente de E. E. U. U con número 6,768,286 (Battery Charger System and Method for Providing Detailed Battery Status and Charging Method Information About Múltiple Batteries, Julio de 2004) se describe un cargador de baterías que proporciona el estado detallado y el método de cargado para una batería seleccionada dentro de un grupo de baterías acopladas simultáneamente al cargador de baterías . El sistema incluye un controlador que selecciona a la batería a monitorear y cargar, el controlador inicia un ciclo de medición durante el cual determina las características actuales de la batería seleccionada para decidir si debe realizar el cargado de la batería o seleccionar otra batería para repetir el proceso de monitoreo y carga. Aunque la información del controlador puede extraerse desde un procesador externo, los datos corresponderán a la batería actualmente monitoreada, de modo que no se pueden obtener las características de todas las baterías en el arreglo para un mismo instante de tiempo. En la patente de E. E. U. U con número 6,677,759 (Method and Apparatus for High-Voltage Battery Array Monitoring Sensors Network, enero de 2004) se describe un sistema que consta de módulos sensores de celda encargados de monitorear los parámetros físicos de cada celda dentro de una batería, los sensores de celda están ligados a un módulo sensor de batería que monitorea los parámetros físicos de la batería completa y colecta la información de los módulos sensores de celdas a través de una interfaz de datos. Los sensores de batería pueden ser ligados a una interfaz de alarma que proporciona un enlace entre cada celda y cada batería con el mundo externo. La interfaz de alarma puede incluir una interfaz de usuario que permita la entrada y salida directa de señales visuales y/o audibles, o remotamente a través de un enlace de comunicaciones. Los sensores de celda y batería proporcionan información en relación con el estado actual de las celdas, por lo que la interfaz de alarma debe ser parte de una estación de trabajo que opere permanentemente como monitor en sitio si se desea un monitoreo continuo. En la patente de E. E. U. U con número 6,498,491 (Battery Monitoring System, diciembre de 2002) se describe un sistema de monitoreo de baterías que consta de dispositivos de medición en campo, instalados en el circuito de baterías, y un monitor que puede recibir los datos de los dispositivos de campo localizados remotamente. En este sistema sólo se miden las corrientes de carga, descarga y flotación para inferir el estado de las baterías, por lo que no se puede obtener un panorama completo del desempeño de las baterías . En otros sistemas de monitoreo existentes no se proporciona al usuario el comportamiento detallado de las baterías, tal es el caso del sistema descrito en la patente de E. E. U. U. número 5,773,962 (Battery Energy Monitoring Circuits, junio de 1998), en donde el monitoreo se utiliza para asegurar que la razón de descarga o de cargado de las baterías no exceda límites predeterminados y para avisar al usuario que la energía dentro de las baterías ha decaído por debajo de niveles especificados. En esta misma filosofía se encuentra el sistema descrito en la patente de E. E. U. U. número 5,666,040 (Networked Battery Monitor and Control System and Charging Method, septiembre de 1997) , donde los módulos electrónicos conectados a las baterías de una cadena producen señales de tipo "pasa/ no pasa" para las condiciones de sobrevoltaje, bajo voltaje, sobre temperatura y voltaje de flotación, señales que se leen por un controlador conectado a cada módulo en una red local . Con base en la información recibida, el controlador puede ajustar la corriente de cargado hacia la cadena, terminar el ciclo de cargado, limitar la corriente extraída de la cadena o desconectarla del sistema que está alimentando. Para resolver los aspectos no cubiertos por los esquemas anteriores, en el presente invento se propone un sistema alternativo para el monitoreo de arreglos de baterías, que permite la obtención de información detallada de cada una de las celdas en el arreglo sin tener que modificar la configuración actual del banco de baterías .

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El objeto del presente invento es constituir un sistema de monitoreo de arreglos de baterías, que permite la obtención de información histórica detallada de las condiciones operativas de cada una de las celdas o baterías que formen parte de un arreglo serie y/o paralelo para el respaldo de energía. Con base en la descripción, en los dibujos incluidos y con la finalidad de que el invento sea claro, plenamente comprendido y puesto en práctica, a continuación se presentan los detalles característicos del mismo. La figura 1 representa a los elementos que forman el sistema de monitoreo distribuido en un banco de baterías para respaldo de energía objeto de esta invención. La figura 2 es un diagrama a bloques del módulo de adquisición del sistema de la figura 1. La figura 3 es un diagrama a bloques de la interfaz de comunicación aislada del módulo de la figura 2. La figura 4 es un diagrama a bloques del concentrador de datos del sistema de la figura 1. La figura 5 muestra el diagrama de los principales módulos de software de la estación central del sistema de la figura 1. Con referencia a la figura 1, el sistema está integrado por tres componentes principales: módulos de adquisición (la-ln) para la medición de las condiciones actuales de cada una de las celdas o baterías (2a-2n) interconectadas para formar un arreglo, uno o más concentradores de datos (3) para la recolección de las mediciones realizadas por los módulos de adquisición y para la medición de los principales parámetros del banco de baterías completo, y una estación central (4) para el almacenamiento, procesamiento y presentación de la información en una forma que facilite la interpretación de las condiciones operativas de cada una de las celdas o baterías del arreglo (2a-2n) . La estructura del sistema permite enlazar múltiples módulos de adquisición (la-ln) con un concentrador de datos (3) , y varios concentradores de datos (3) con una estación central (4) . El método de recarga de las baterías (2a-2n) , la conexión eléctrica de la carga a la que el banco suministra energía, el número de celdas y el tipo de conexión entre ellas (por ejemplo cable flexible, barras de aluminio o cobre) dependen de los requerimientos de la aplicación particular y no implican restricciones para la instalación del sistema de monitoreo. Los módulos de adquisición (la-ln) están físicamente unidos y eléctricamente acoplados a cada una de las celdas o baterías del arreglo y toman el voltaje de alimentación de su celda correspondiente (2a-2n) . A su vez, los módulos de adquisición (la-ln) están interconectados mediante un bus (5) que forma un enlace de comunicación serial entre módulos y con el concentrador de datos (3) .

El dispositivo concentrador de datos (3) se encarga de colectar y registrar los datos resultantes de las mediciones que realizan los módulos de adquisición (la-ln) , así como de medir y registrar las principales variables operativas del arreglo de baterías: voltaje de banco, corriente de banco, temperatura ambiente. Adicionalmente, el concentrador de datos (3) tiene la función de enviar los datos registrados hacia la estación central (4) cuando ésta lo solicite. El bus (10) integra la red de comunicación entre la estación central (4) y uno o más concentradores de datos (3) . El concentrador de datos (3) se acopla al banco de baterías para obtener su voltaje de alimentación por medio de cables conductores conectados a la terminal de salida negativa o tierra del banco (6) y a la terminal positiva (7) en el extremo de un grupo de celdas cuya magnitud de voltaje con respecto a tierra sea suficiente para la operación del concentrador de datos (3) . Adicionalmente, una conexión (8) a la terminal de salida positiva del arreglo permite la medición del voltaje total del banco. El sistema incluye una sonda de corriente (9) con salidas de tipo diferencial conectadas al concentrador de datos (3) para la medición de la corriente total que entra o sale del banco de baterías . La figura 2 muestra el diagrama detallado de un módulo de adquisición (lc) del sistema de monitoreo. El módulo de adquisición mide en forma autónoma y periódica los parámetros de la celda correspondiente (2c) , almacena en una memoria de datos interna los valores digitales adquiridos y se comunica por un canal serial (5) con el concentrador de datos (3) o la estación central (4) . El módulo (lc) está colocado externamente en un lado de la envolvente física de la celda (2c) y conectado con cables conductores a los bornes de la misma, su conexión es fácil, no modifica en forma alguna la instalación existente y no es intrusiva. El voltaje de celda es medido a través de un canal analógico. Este canal está protegido contra sobre corriente y alto voltaje mediante un circuito de protección (11) integrado por un fusible y un supresor de transitorios de voltaje. El fusible interrumpe el flujo de corriente ante la presencia de una falla, pero vuelve a su estado de baja impedancia cuando la falla desaparece. El supresor limita el voltaje de entrada a un valor máximo y actúa como protección bidireccional contra sobre voltaje. El voltaje de celda sirve como fuente de energía al módulo. Dependiendo del valor nominal, el circuito (12) genera el bus de alimentación local para los componentes electrónicos del módulo. Si el voltaje de celda es menor al valor requerido por el módulo de adquisición se utiliza un dispositivo convertidor elevador de voltaje, en caso contrario se emplea un dispositivo regulador de voltaje. Esta característica permite utilizar el mismo módulo para cualquier tipo de batería integrante del banco, seleccionando únicamente el dispositivo apropiado con base en el voltaje nominal de la celda. Con un divisor de voltaje y un filtro pasa bajas, el acondicionador (13) escala el voltaje de la celda y elimina las señales de ruido. La señal de salida es representativa del voltaje de celda y adecuada al rango del circuito de medición. El módulo (lc) incluye un circuito sensor de temperatura (14) con salida digital e interfaz serial para el envío de datos y recepción de comandos de configuración. El sensor (14) proporciona el valor digital de la temperatura de la celda (2c) en la superficie de contacto con el módulo (le) . El módulo de adquisición está basado en un microcontrolador (15) el cual incluye en un mismo circuito integrado una unidad de procesamiento y control (16) , un convertidor analógico/digital (17) , una interfaz serial local (18) , una memoria interna para programa y datos (19) y un puerto de comunicación serial asincrono (20) . El voltaje analógico de salida del acondicionador (13) es aplicado al convertidor (17) , el cual genera el valor digital del voltaje de celda para ser procesado por el microcontrolador (15) . De manera similar, a través de la interfaz serial (18) , el microcontrolador (15) solicita al sensor (14) el valor digital de la temperatura de la celda.

El módulo de adquisición (lc) utiliza una interfaz de comunicación aislada (21) para acoplar al puerto serie del microcontrolador (20) con la red de comunicación (5) . La interfaz de comunicación aislada (21) protege al módulo de adquisición y a la batería, ya que aisla eléctricamente a los módulos (la-ln) evitando la formación de lazos de tierra provocados por la diferencia de potencial entre dos o más puntos de tierra de cada módulo de adquisición. En referencia a la figura 3 , la interfaz de comunicación aislada (21) está integrada por una fuente aislada (24) , una etapa de opto-acopladores (25, 26) y un transmisor-receptor (27) conectado al bus de comunicación (5). Los acopladores ópticos (25 ,26) permiten la transmisión (23) y recepción (22) de información en forma serial hacia el microcontrolador (15) y aislan el canal de comunicación de los circuitos de medición, protección y procesamiento. La operación del módulo de adquisición está basada en un microcontrolador (15) en el cual reside un programa de control para: a) Configuración de la operación del convertidor (17) , puerto de comunicación (20) , sensor de temperatura (14) , temporizadores internos, inicialización de registros internos y memoria de datos (19) , lectura del identificador del módulo y del período de registro de datos, puesta del microcontrolador (15) en modo de bajo consumo de energía. b) Ejecución periódica para la medición del voltaje y temperatura de la celda, almacenamiento de los parámetros adquiridos en memoria de datos (19) , verificación del funcionamiento de la fuente de alimentación local (12) . c) Comunicación serial para el intercambio de información bajo un protocolo basado en mensajes con el concentrador de datos (3) o la estación central (4) del sistema. El tipo de peticiones incluye: asignación o cambio de identificador, actualización del período de registro de datos, medición de parámetros de celda y envío de valores instantáneos, procesamiento estadístico de parámetros de celda (máximo, mínimo y promedio) y envío de valores calculados. El identificador del módulo es una dirección única programable de 16 bits. Cuando el módulo recibe cualquier petición, determina si la dirección del módulo destino de la solicitud corresponde a su dirección y si es el caso atiende la petición. Dado que los sistemas de respaldo de energía basados en arreglos de baterías normalmente operan en entornos industriales, el canal de comunicaciones (5) debe ser robusto, soportar la conexión de múltiples elementos con capacidad de comunicación y ser inmune a la interferencia electromagnética del ambiente de operación del arreglo de baterías. Un ejemplo de un canal de comunicaciones apropiado para el sistema de monitoreo de baterías, es el especificado en el estándar RS-485. El protocolo de comunicaciones es propietario, del tipo maestro-esclavo, la estructura de la trama es corta para minimizar el tiempo de- transmisión, con mecanismos para realizar retransmisiones y validar la información. En la red de comunicación (5) , el concentrador de datos (3) es el dispositivo maestro y los módulos de adquisición (la-ln) son los esclavos; en el enlace de comunicación (10) , la estación central (4) actúa como maestro y los diferentes concentradores (3) como dispositivos esclavos . Con referencia a la figura 4, un concentrador de datos (3) se compone de etapas de acoplamiento al banco de baterías para la medición de variables eléctricas (28,29), regulación de voltaje (30) , procesamiento (31) , medición de temperatura (38) , memoria para el registro de datos (39) e interfaces de comunicación serial (21) con los buses externos (5,10). Los concentradores de datos deben instalarse preferentemente en la proximidad física del banco de baterías bajo monitoreo, tienen una envolvente mecánica individual y están provistos de conectores externos que facilitan el acoplamiento con los demás elementos del sistema de monitoreo. La naturaleza y disposición física de la envolvente mecánica y de los conectores externos de los concentradores de datos, así como las características de los demás elementos de conexión, deben seleccionarse de acuerdo con los requerimientos de cada aplicación específica. Cada concentrador de datos (3) obtiene el suministro de energía del propio banco de baterías a monitorear, para ello cuenta con una etapa interna de regulación de voltaje (30) cuyo punto común de referencia eléctrica se conecta al extremo más negativo (6) del arreglo de baterías . La entrada de la etapa de regulación del concentrador de datos se conecta a la terminal positiva (7) de alguna de las baterías del arreglo a monitorear, de modo tal que se le aplique un voltaje de magnitud suficiente para la operación del concentrador de datos sin exceder la tolerancia de su etapa interna de regulación (30) . El elemento de procesamiento encargado de la ejecución de funciones y la coordinación de las etapas involucradas en cada tarea del concentrador de datos (3) es un microcontrolador (31) , que incluye en un mismo circuito integrado una unidad de procesamiento (32) y elementos periféricos como canales de entrada/salida digital (33) , convertidores analógico/digitales (34) , puertos de comunicación serial asincrona (35) , temporizadores (36) y memoria interna (37) . El concentrador de datos (3) se conecta a los módulos de adquisición (la-ln) instalados en las baterías del arreglo por medio de un canal de comunicación serial (5) , donde los datos están codificados digitalmente . Un ejemplo de un canal de comunicaciones apropiado para conectar a los concentradores de datos con los módulos de adquisición es el especificado en el estándar RS-485. El registro de la información en el concentrador de datos se hace en una etapa de memoria no volátil (39) que se compone de circuitos integrados externos al microcontrolador y conectados a éste mediante un puerto serial local (33) , de modo que se puede realizar fácilmente una expansión de la capacidad de memoria para el registro de datos o el reemplazo por memorias de distintas tecnologías . El concentrador de datos (3) tiene capacidad para la medición de variables físicas que sean representativas del desempeño del arreglo de baterías, por ejemplo: voltaje total del arreglo, corriente y temperatura en el entorno de operación. Para" ello se tienen etapas de acondicionamiento de señales (28, 29) que adecúan las magnitudes de las variables físicas a los niveles eléctricos manejables por el convertidor analógico/digital (34) dentro del microcontrolador (31) . Para medir el voltaje total del arreglo de celdas o baterías, el concentrador de datos (3) se acopla eléctricamente a los extremos positivo (8) y negativo (6) del banco de baterías a monitorear. El acondicionamiento (28) incluido en el concentrador de datos (3) para la medición del voltaje total del banco se compone de un divisor resistivo de voltaje, un elemento de protección contra sobre voltajes, un filtro activo pasa bajas y un amplificador. Para medir la corriente que fluye por el arreglo de baterías, el concentrador de datos (3) se acopla a un sensor de corriente (9) que genere un voltaje diferencial proporcional a la corriente de banco. Para la medición de corriente del banco la etapa de acondicionamiento (29) se compone de un elemento de protección contra sobre voltajes, un filtro activo pasa bajas y un amplificador diferencial . En el microcontrolador (31) reside un programa de control que se encarga de las siguientes tareas : a) Envío periódico de comandos desde el concentrador de datos (3) a cada uno de los módulos de adquisición (la-ln) conectados en la misma red de comunicación (5) , solicitando el reporte de los datos registrados en cada módulo de adquisición que corresponden a las características operativas de las baterías dentro del arreglo en un intervalo de tiempo determinado. Las solicitudes de datos se hacen de acuerdo con la lista de los módulos de adquisición activos dentro del sistema de monitoreo que se encuentra registrada en la memoria interna (37) del microcontrolador. b) Los comandos enviados por un concentrador de datos (3) y las respuestas transmitidas por los módulos de adquisición (la-ln) siguen un protocolo que aumenta la confiabilidad del enlace de comunicaciones al incluir mecanismos para el direccionamiento individual de elementos, verificación de errores y xetransmisiones en caso de falla. c) Registro de los datos enviados por los módulos de adquisición (la-ln) en la etapa de memoria no volátil (39) del concentrador de datos (3) para su almacenamiento hasta que sean extraídos por la estación central (4) . d) Envío de comandos a los módulos de adquisición (la-ln) conectados en la red de comunicaciones (5) para sincronizar las adquisiciones de datos, programar sus parámetros operativos, etc. e) Medición, procesamiento estadístico, y registro en la memoria de datos no volátil (39) de variables físicas que sean representativas del desempeño del arreglo de baterías, por ejemplo: voltaje total arreglo, corriente y temperatura en el entorno de operación. Las mediciones instantáneas de los parámetros físicos del banco son realizadas periódicamente por el convertidor analógico/digital (34) del microcontrolador (31) a una frecuencia mayor que la determinada para el registro de .los datos en la memoria no volátil (39) , de modo que se tengan múltiples mediciones distribuidas uniformemente dentro de cada intervalo. Los datos adquiridos se procesan antes de hacer el registro en la memoria de datos (39) de modo que se tenga información detallada y representativa del desempeño del arreglo de baterías, por ejemplo calculando y registrando los valores mínimo, promedio y máximo de las mediciones instantáneas . Uno o más concentradores de datos (3) se pueden conectar a una misma estación central (4) a través de un canal dedicado (10) independiente del medio de comunicación con los módulos de adquisición. El microcontrolador (31) dentro del concentrador de datos tiene un puerto serial universal (35) que permite la utilización de distintos tipos de módulos de comunicación serial dependiendo de las condiciones de cada aplicación particular, por ejemplo módulos de comunicación galvánicamente aislados (21) , módulos de comunicación RS-485, RS-232, radiofrecuencia, etc. La solicitud y registro periódico de la información que realizan los concentradores de datos (3) , permite tener un monitoreo continuo del arreglo de baterías que puede transferirse en cualquier momento a la estación central (4) para su procesamiento y despliegue al usuario, sin necesidad de que la plataforma de procesamiento de la estación central (4) esté permanentemente asignada al monitoreo del arreglo de baterías . La estación central (4) es una computadora personal que ejecuta un programa para la administración del sistema a través de una interfaz gráfica de usuario. El programa incluye la siguiente funcionalidad: a) Configuración inicial del sistema. b) Comunicación mediante una red de comunicación serial (10) con los componentes del sistema utilizando un protocolo propietario basado en mensaj es . c) Adquisición de la información almacenada en la memoria no volátil (39) del concentrador de datos (3) correspondiente a los parámetros medidos por banco y celda. d) Procesamiento de los datos adquiridos . e) Respaldo de información en la base de datos del sistema. f) Presentación de datos mediante gráficas de tiempo y de barras. Con referencia a la figura 5, la interfaz gráfica de usuario (40) es el programa administrador del sistema y medio de interacción con el usuario. Las diferentes opciones son módulos de software presentadas al usuario en un menú. La interfaz gráfica de usuario (40) es el programa principal y las opciones son subprogramas ejecutados a elección del usuario. Cuando la aplicación es ejecutada, se efectúa la etapa de inicialización que consiste en la creación y verificación de la conexión a la base de datos (44) del sistema, identificación de puertos serie de la estación central y configuración del enlace de comunicación (10) . Posteriormente, espera que el usuario solicite la ejecución de cualquiera de las opciones funcionales disponibles . La configuración (41) es un conjunto de módulos de software que permiten: a) Identificación única, asignación de valores nominales y programación de los parámetros de operación de los componentes de hardware del sistema: módulos de adquisición (la-ln) y concentrador de datos (3) . b) Actualización automática de información de la fuente de datos (44) del sistema. c) Selección del puerto serie para el enlace de comunicación. d) Verificación funcional de la red de comunicación (10) . La configuración incluye opciones para: i) agregar, eliminar y modificar en la base de datos (44) del sistema las características de identificación y funcionales de módulos de adquisición (la-ln) y concentradores de datos (3) , ii) programar parámetros de operación de concentradores de datos (fecha y hora, lista de módulos, período de registro) , iii) probar la red de componentes activos del sistema, iv) elegir puerto de comunicación. La adquisición (42) es el proceso de lectura de los datos almacenados en la memoria no volátil (39) del concentrador de datos, procesamiento de la información colectada y almacenamiento posterior en la fuente de datos (44) del sistema. El proceso para recuperar los datos de la memoria del concentrador implica un intercambio continuo de mensajes con la estación central, el cual permite la transferencia y validación de la información utilizando un protocolo propietario de comunicación.

La adquisición (42) se realiza individualmente a cada concentrador de datos (3) configurado en el sistema. Los datos leídos corresponden a los valores estadísticos de voltaje, corriente y temperatura del banco medidos periódicamente por el concentrador de datos (3) , y a los valores estadísticos de voltaje y temperatura de celda medidos por los módulos de adquisición (la-In) . La visualización (43) consiste en el acceso y lectura de la fuente de información (44) del sistema y despliegue gráfico de los parámetros monitoreados por banco y celda. El despliegue gráfico de variables permite el análisis del comportamiento del banco, facilita la detección de las celdas con mayor probabilidad de falla y apoya las acciones de diagnóstico y mantenimiento del banco. La información almacenada en la base de datos (44) del sistema, la cual contiene los valores de las variables monitoreadas por concentradores (3) y módulos de adquisición (la-ln) , es presentada mediante gráficas de tiempo y gráficas de barras . Las gráficas de tiempo muestran las curvas de tendencia de un conjunto de bancos o de un grupo de celdas del mismo banco en un intervalo de tiempo elegido por el usuario. Las celdas de un banco o los bancos de un sistema se identifican con colores, los parámetros monitoreados por celda o banco se identifican con diferente tipo de línea.

Las curvas de tendencia permiten analizar el comportamiento de los parámetros monitoreadas y detectar aquellos elementos del banco cuyo comportamiento difiere al resto del grupo así como identificar la ocurrencia de eventos relevantes del sistema de respaldo. Las gráficas de barras muestran los valores estadísticos de todos los bancos o de todas las celdas de un banco en un instante de tiempo determinado. Cada parámetro se identifica con una barra de color e incluye los valores máximo, promedio y mínimo. Las gráficas de barras permiten comparar un grupo múltiples elementos del banco en un instante de tiempo. Cada instante de tiempo corresponde al período de registro de variables del concentrador de datos . La fuente de información (44) es una base de datos en la cual se almacena toda la información adquirida por los componentes del sistema. La base de datos es relacional y está integrada por cuatro tablas: Catálogo de concentradores, catálogo de módulos, muestras de concentradores y muestras de módulos . La estructura de la base y el tipo de datos utilizados permiten un acceso óptimo y manejo de grandes volúmenes de información. No obstante que la anterior descripción se ha realizado tomando en cuenta los dibujos de la modalidad preferida del invento, deberá tomarse en cuenta que cualquier modificación en forma y detalle sstará comprendida dentro del espíritu y alcance del presente invento.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES Habiendo descrito la invención, se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes cláusulas : 1. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía, que comprende una estación central enlazada mediante un canal de comunicación dedicado a uno o más concentradores de datos acoplados individualmente a un banco o arreglo de baterías y por un conjunto de módulos de adquisición acoplados a cada una de las celdas o baterías del banco e interconectados en serie formando una red de módulos y un concentrador de datos; que se caracteriza porque los módulos de adquisición están alimentados por las celdas del banco y miden periódicamente los parámetros físicos de cada una de las celdas del banco, procesan y almacenan en una memoria de datos las variables adquiridas y atienden las peticiones de información solicitadas por el concentrador de datos o la estación central; y porque los concentradores de datos miden los principales parámetros operativos del arreglo de baterías, colectan los valores resultantes de las mediciones efectuadas por los módulos de adquisición, registran en una memoria de datos no volátil tanto las variables adquiridas como la información recibida de los módulos de adquisición y envían los datos registrados bajo petición a la estación central; y porque la estación central mediante una interfaz gráfica de usuario configura las condiciones de operación de los módulos de adquisición y los concentradores de datos, adquiere a través del canal de comunicación la información respaldada en los concentradores de datos, procesa y almacena la información en la fuente de datos del sistema y presenta en gráficas los parámetros medidos periódica y continuamente por módulos y concentradores para analizar el comportamiento de cada celda y del banco completo. 2. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el módulo de adquisición mide el voltaje y la temperatura de la celda a la cual está acoplado. 3. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el módulo de adquisición y el concentrador de datos tiene un microcontrolador como unidad central de control y procesamiento, que integra componentes periféricos como convertidor analógico/digital, puertos de comunicación serial, memoria de datos y programa, puertos de entrada/salida, temporizadores. . Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el módulo de adquisición integra fases de protección y acondicionamiento de la señal analógica para la medición del voltaje de celda. 5. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el módulo de adquisición incluye una etapa de regulación para generar la fuente local de alimentación del módulo a partir del voltaje nominal de celda. 6. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el módulo de adquisición tiene un sensor de temperatura con salida digital e interfaz serial de comunicación para la medición de la temperatura de la celda. 7. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 3, que se caracteriza porque en el módulo de adquisición la señal acondicionada del voltaje de celda y la señal digital de la temperatura están acopladas al microcontrolador. 8. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el módulo de adquisición incluye una interfaz de comunicación aislada para acoplar el módulo a la red de comunicación, aislar el canal serie de comunicación y permitir la recepción y transmisión de información entre el módulo y el concentrador de datos . 9. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 8, que se caracteriza porque la interfaz de comunicación aislada del módulo de adquisición integra opto-acopladores, fuente de alimentación aislada y dispositivo transmisor-receptor. 10. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 3, que se caracteriza porque el microcontrolador ejecuta un programa de control y procesamiento que rige la operación del módulo de adquisición y efectúa las siguientes funciones : a) Configuración de las condiciones de operación. b) Medición, procesamiento y almacenamiento en memoria de parámetros de la celda. c) Atención a las peticiones enviadas por los concentradores de datos y estación central . 11. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el enlace de comunicación entre módulos y concentradores opera en ambiente industrial, es inmune al ruido e interferencia electromagnética y permite la conexión de múltiples elementos. 12. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la transferencia de información entre estación central, concentradores y módulos utiliza un protocolo propietario de comunicación basado en mensajes con una estructura de la trama corta, direccionamiento individual de elementos y capacidad para validar la información y realizar retransmisiones en caso de errores. 13. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el concentrador de datos está instalado próximo al banco y mide el voltaje del banco, la corriente del banco y la temperatura ambiente . 14. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el concentrador de datos tiene una etapa de regulación de voltaje para obtener el suministro de energía a partir de las terminales de un conjunto de celdas del banco con magnitud de voltaje suficiente para operar el concentrador. 15. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el concentrador de datos incluye una memoria de datos no volátil externa al microcontrolador para el registro tanto de las mediciones realizadas por los módulos como por el concentrador, con la posibilidad de incrementar fácilmente la capacidad de almacenamiento de datos del concentrador. 16. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el concentrador de datos integra una etapa de acondicionamiento acoplada a las terminales del banco para la medición del voltaje total del arreglo. 17. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 16, que se caracteriza porque la etapa de acondicionamiento integra un divisor resistivo de voltaje, un elemento de protección contra sobre voltajes, un filtro activo pasa bajas y un amplificador. 18. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación i, que se caracteriza porque el concentrador de datos incluye una etapa de acondicionamiento acoplada a la salida diferencial de un sensor de corriente para la medición de la corriente total de entrada o salida del banco de baterías. 19. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 18, que se caracteriza porque la etapa de acondicionamiento integra un elemento de protección contra sobre voltajes, un filtro activo pasa bajas y un amplificador diferencial . 20. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el concentrador de datos tiene un sensor de temperatura con salida digital e interfaz serial de comunicación para la medición de la temperatura ambiente . 21. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 3, que se caracteriza porque el microcontrolador ejecuta un programa de control y procesamiento que rige la operación del concentrador de datos y realiza las siguientes tareas : a) Solicitud periódica y ordenada de los valores estadísticos de las mediciones registradas en un intervalo de tiempo fijo por cada módulo de adquisición. b) Registro de los datos enviados por los módulos de adquisición en la memoria de datos no volátil . c) Envío de comandos a los módulos de adquisición para la programación de parámetros operativos . d) Medición, procesamiento estadístico y registro en memoria de parámetros característicos del banco de baterías completo. 22. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la comunicación serial entre los concentradores de datos y la estación central permite utilizar diferentes tipos de enlaces. 23. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque los módulos de adquisición y el concentrador monitorean en forma continua los parámetros del arreglo y la estación central puede solicitar la información cuando las condiciones operativas configuradas para cada aplicación particular así lo requieran. 24. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la interfaz gráfica de la estación central es un programa administrador del sistema y medio de interacción con el usuario y está integrado por módulos de software para la configuración, adquisición y visualización. 25. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 24, que se caracteriza porque la configuración establece el estado inicial de operación de los elementos del sistema, modifica características funcionales de módulos y concentradores y actualiza la fuente de datos del sistema. 26. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 24, que se caracteriza porque la adquisición solicita a cada concentrador del sistema la información estadística registrada en la memoria de datos no volátil, procesa la información colectada y la almacenada en la fuente de datos del sistema. 27. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 24, que se caracteriza porque la visualización accede a la información contenida en la fuente de datos del sistema y despliega mediante gráficas de tiempo y gráficas de barras los parámetros característicos de bancos y celdas para identificar el comportamiento del banco, detectar las celdas con probabilidad de falla y apoyar acciones de mantenimiento. 28. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 27, que se caracteriza porque las gráficas de tiempo presentan las curvas de tendencia de un conjunto de bancos o de un grupo de celdas en un intervalo de tiempo y facilitan la detección de un comportamiento anormal de los elementos del banco a partir de los parámetros monitoreados . 29. Sistema de monitoreo distribuido en bancos o arreglos de baterías para respaldo de energía de conformidad con la reivindicación 27, que se caracteriza porque las gráficas de barras comparan los valores estadísticos de las celdas de un banco en un instante de tiempo y facilitan la identificación de las celdas cuyos parámetros difieren notablemente al resto del grupo.