WO2009100725A1 - Cargador bidireccional para baterías y método de empleo - Google Patents

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WO2009100725A1
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batteries
charger
bidirectional charger
energy
main board
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Fermando Emilio Adames
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Vega Technologies, Ltd.
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/342—The other DC source being a battery actively interacting with the first one, i.e. battery to battery charging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J2207/40—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries adapted for charging from various sources, e.g. AC, DC or multivoltage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to the field or branch of the electrical and electronic Ia and in particular with a bidirectional charger for the loading and unloading of batteries or accumulators and their method of use, which allows the loading-unloading process in two directions , in a short time, without losses in the process of energy conversion, while prolonging the useful life of the batteries, in the same way the invention relates to software that allows operating and controlling the bidirectional arrester, as well as the Battery charging and discharge process.
  • inverters are devices that allow to take alternating current (AC) from dissimilar sources of inputs or inputs that by means of a process convert into direct or continuous current (DC / DC) to convert it into stored or potential energy in order to subsequently convert the stored energy (DC / DC) into the battery or accumulator into alternating energy (AC) as an output, in this process there is a considerable loss of energy per conversion, this entails consequences negatives that result in: increased consumption in the battery charging process; the consumption is multiplied because the demand of the inverter is added to the installed demand in the process of charging the batteries, for example, batteries projected for one hour of power supply require approximately 2 hours of continuous charging increasing consumption; in the process of converting the energy in its two directions, that is to say AC-DC / CC and
  • the charger will not be able to operate, it does not have a counter of the current that is supplied to the batteries and in the same way it is not designed to control
  • the current supplied to the battery, to all of the above, is added that operates in only one direction.
  • the patent JP11 178234 with publication date 1999-07-02 and whose applicant is NISSAN MOTOR claims a system of electric power supply from a vehicle that can be useful in case of breakdowns or deficit in the supply of the network conventional, through this device the electric car can supply power to the house, however it is limited by several aspects within these is the fact that if the fault or the deficit in the supply is too prolonged there is a risk that the vehicle's batteries are completely discharged, the other limitation refers to the fact that if for any reason it is required to disconnect the vehicle, the house runs out of energy because the sense is not to drain the vehicle's batteries towards batteries available in the house but to supply power directly from the batteries of the electric vehicle to the house; it is necessary to keep in mind that almost generally This type of vehicles feeds on the direct energy (AC) from the conventional network that stores in its batteries and form of direct current (DC).
  • AC direct energy
  • DC direct current
  • a system for using an alternating current (AC) supply of 10O v is claimed as an emergency supply or for use in places where there is no power supply, said system is composed of an inverter that is attached to a car to make the DC / AC conversion of the energy from a battery or accumulator, which allows to have alternating current (AC) in cases of emergency or out of home activities or at Free air through a plug from the inverter from which the alternating current (AC) is obtained, although this system represents a solution in emergency situations, it has as its main drawback the limitations it has related to the low speed in loading and unloading of the batteries or accumulators, and the absence of a sensor that reports on the temperature existing in the cells of the battery due to the impact of the charge flow, which results in a limitation of the useful life of the batteries.
  • the object of the present invention relates to a bidirectional charger of the type used to charge and discharge batteries that operates from receiving an energy input / output order, which has: a Power Supply or Power Supply (1), a Main Board or Main Card (2), a Software or Program (3), a Monitoring System (4) and an Electromechanical or Servo Motor System (5).
  • S1 is used to check the position that conditions state 1 which is the state where the direction of the charge is determined based on the state of the batteries
  • S2 is used to check the position that conditions the state 2 of the batteries, and also to determine in which direction the charge or flow will be directed according to the state of the batteries, so that the operating state will condition the direction of the flow or current flow towards the lower battery load, in this way if the load of S1 is greater than the load of S2 or vice versa, then the software orders the change in the jumper wiring of the poles, allowing it to operate in either of the two directions
  • S3 censuses the temperature state in the wiring and S4 indicates the current demand state, as shown in Figure 2.
  • the Software (3) first performs a general check of the system, starting by automatically placing the servomotor (5) in a position ready to work, based on the information provided by the censors S1 and S2 determines the state of work (state 1 and state 2) depending on orienting the flow or current flow.
  • the software (3) obtains the information referring to the temperature of the battery wiring poles and if it detects that there is an unusual or high temperature (below 90 degrees Celsius) in the battery wiring, it informs the need for the Checked or ordered in the event that there is a decrease in the supply flow in the middle of the process of charging / discharging the batteries to decrease the amperage or turn off the system in the event that it is not enough to decrease the amperage to protect the batteries.
  • the system depending on the protection of the batteries is designed to perform a constant check or review;
  • the battery charging / discharging process begins and operates according to it for 60 continuous seconds in which it is constantly receiving information from its sensors and every 6 seconds it only stops the charging / discharging process, at which time the wiring dissipates the Heat energy caused by the passage of the flow and the batteries accommodate the charge, on the other hand the system expired six seconds and knowing the general state restarts the operation of charging / unloading again for 60 seconds more and so on until it is fully completed Ia operation.
  • the electromechanical system (5) Io composes a servomotor that makes contact between the poles of the cables that go to the batteries (7), depending on state 1 or state 2, for this it has copper plates (6) that make Contact with these poles and depending on the orders you receive from the Software (3) is that the direction of the current flow is determined, either to supply the batteries or to demand current from the batteries, making the charger can operate in Both directions
  • the servomotor (5) is activated by the Main Board or Main Card (2) to which it is connected and works taking into account the pulses emitted from the operation button, according to the applied function or the information that the censors receive the Software (3).
  • the servomotor (5) operates with the energy that comes from a voltage supplier (9) that delivers a voltage to the servomotor that oscillates between 3 and 30 v. and between 1 and 3 A, the voltage is regulated by resistors, in the event that the voltage supplier (9) does not have it integrated.
  • the monitoring system as its name indicates it allows to monitor the system execution parameters; it serves as an interface between the operator and the system and through it you can visualize the operations function, the status of the batteries, the state of temperature in the wiring, the state of demand of current and the information referred to the energy supplied or demanded of the batteries.
  • a Power Supply or Power Supply is taken that can be of the BUK100 DC DC Converter model, it is composed of: an LM2575WVT, in the U201 position, a 100 uf 25v capacitor. in position C201, a capacitor 220 uf at 25 v. a 330 mh coil in position R201 and R202 and in position D201 a diode (D01).
  • the S2 is connected to the I P2 port.
  • the servomotor or electromechanical system (5) is connected to ports A, D, A / C, B / D, B, D of the Main Board or main board (2).
  • the input or supply of voltage for the servomotor occurs in a range that ranges between 3 and 30 v. and between 1 and 3 A, the voltage is regulated by resistors if the voltage supplier (9) does not have it integrated.
  • Copper plates (6) are placed in the servomotor (5), they make contact with the poles (7) of one of the battery cables acting as a bridge.
  • the poles of the battery are connected by the copper plates (6) placed on the servomotor (5) and according to the connection bridge that is established by order of the Software (3) from the information received from the censors the batteries are charged or discharged, based in this particular the nature bidirectional of the charger, all of which is shown in Figure 2.
  • an LCD display can be used, which can be of the Tex / Bar-Graph PLED Display model, which is connected to the two DOUT TTL ports and the BUSY 0 / P port which has the Main Board or Main Card (2) mentioned above, which allows monitoring all the functions of the system and which are issued by the Main Board or Main Card (2) serving as an interface with the system operator.
  • an additional battery bank needs to be placed in the car, for example two additional 12 volt interconnected batteries that can be placed in the trunk of the car, these batteries they are connected to the charger and this in turn is connected to the local battery of the car from which it receives direct DC / DC current that passes to the additional batteries according to the demand of these (starting from totally empty batteries an average charging time is estimated which varies between 30-40 minutes), when the charger demands the local battery, the car alternator continues to work while the local battery is not full of energy supplying it, once the additional batteries have been completed with the charging of power supplied by the charger, it stops demanding energy from the local car battery and the alternator also Once you complete your local battery, stop supplying power to it by sending it only a maintenance voltage.
  • Another of the possible applications of the bidirectional charger object of the present invention consists in draining the energy accumulated in a battery or battery bank to another battery or battery bank with energy deficit, in which the charger, according to the operating scheme sufficiently described previously in the present specification, drains the stored energy of the battery or battery bank that has the charge towards the battery or battery bank that presents the energy deficit, using for this an average time of 1-10 minutes.

Abstract

Cargador bidireccional para baterías que posee conectados en los puertos de una Main Board o Tarjeta Principal (2), un Power Supply o Suministrador De Energía (1), un Sistema De Monitoreo o control (4), un Sistema Electromecánico o Servomotor (5) y censores que mantienen un flujo constante de información sobre el estado del sistema hacia un Software o Programa (3), que maneja y controla el dispositivo. Este cargador puede trabajar con corriente alterna (AC) o corriente directa (DC/CC) proveniente de diversas fuentes, actúa en dos direcciones permitiendo cargar y descargar una o varias baterías, trabaja con un elevado flujo de corriente y donde el proceso de drenaje de Ia energía almacenada resulta particularmente rápido, tomando solo entre 1-10 minutos.

Description

CARGADOR BIDIRECCIONAL PARA BATERÍAS Y MÉTODO DE EMPLEO.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.
CAMPO DE LA INVENCIÓN:
La presente invención se relaciona con el campo o rama de Ia eléctrica y electrónica y de modo particular con un cargador bidireccional para Ia carga y descarga de baterías o acumuladores y su método de empleo, que permite realizar el proceso de carga-descarga en dos direcciones, en poco tiempo, sin pérdidas en el proceso de conversión de Ia energía, a Ia vez que prolonga Ia vida útil de Ia baterías, de igual modo Ia invención se relaciona con un software que permite operar y controlar el descargador bidireccional, así como el proceso de carga y descarga de baterías.
DESCRIPCIÓN DEL ARTE PREVIO:
Hoy en día, Ia energía nuclear, Ia energía procedente de combustibles fósiles, Ia energía obtenida de Ia biomasa (principalmente combustión directa de madera) y Ia energía hidráulica, satisfacen Ia demanda energética mundial en un porcentaje superior al 98%, siendo el petróleo y el carbón las de mayor utilización, correspondiendo a los combustibles fósiles el 75% de Ia producción energética mundial.
El problema energético que presenta Ia humanidad actualmente se debe en gran medida al aumento del consumo y al declarado agotamiento de los recursos o fuentes energéticas no renovables como los combustibles fósiles y particularmente los hidrocarburos, a partir de los cuales se ha obtenido históricamente los combustibles utilizados en Ia generación de energía por métodos convencionales, para los cuales se estiman reservas que no alcanzarán más allá de los próximos 50 o 60 años, Io que ha resultado en un aumento sin precedentes en el valor del petróleo y sus derivados, a Io cual destinan los países grandes cantidades de dinero para el pago de sus facturas petroleras.
Por otra parte, se ha incursionado en Ia utilización de otras fuentes energéticas alternativas como Ia eólica, solar, hidráulica, mareomotriz o Ia proveniente de Ia biomasa pero que aún resultan insuficientes por varios motivos dentro de los que se destacan: limitaciones en Ia producción de energía, costo tecnológico, el costo de implementación, el costo de sustitución y limitaciones de otras naturalezas, tanto es así que según estudios realizados se ha determinado que del total de Ia producción energética mundial solo corresponde a las fuentes alternativas apenas un 23%.
Es así, que siendo actualmente los hidrocarburos Ia principal fuente a partir de Ia cual se obtiene energía, Ia utilización o explotación de ella es insuficiente pues se calcula que se desperdicia de un 60 - 70 % de las potencialidades en Ia generación de energía a partir de esta importante fuente energética.
Un intento para aprovechar este potencial que se desperdicia ha resultado en Ia utilización de inversores, sin embargo esta tecnología presenta como inconveniente principal que aumenta en varias veces el consumo de Ia energía en el proceso de carga de las baterías o acumuladores; Ia energía por su propia naturaleza representa un recurso que no puede ser almacenado en grandes cantidades o a gran escala Io cual hace más evidente las limitaciones de las baterías convencionales en el proceso de almacenamiento de energía para su posterior suministro, a eso se Ie suma que su vida útil resulta limitada aspecto que se ve acelerado por el proceso de conversión cuando son utilizadas asociadas a inversores.
Es conocido en el estado de Ia técnica que los inversores son dispositivos que permiten tomar corriente alterna (AC) de disímiles fuentes de entradas o input que mediante un proceso convierten en corriente directa o continua (DC/CC) para convertirla en energía almacenada o potencial para posteriormente ante una demanda de energía alterna (AC) convertir Ia energía almacenada (DC/CC) en Ia batería o acumulador en energía alterna (AC) como output, en este proceso existe una pérdida considerable de energía por conversión, esto trae aparejado consecuencias negativas que se traducen en: aumento del consumo en el proceso de carga de baterías; el consumo se multiplica porque a Ia demanda instalada se Ie suma Ia demanda del inversor en el proceso de carga de las baterías, por ejemplo unas baterías proyectadas para una hora de suministro de corriente se requieren aproximadamente de 2 horas de carga continua aumentando el consumo; en el proceso de conversión de Ia energía en sus dos direcciones, es decir AC-DC/CC y
DC/CC-AC, existe una pérdida asociada al proceso de conversión que se traduce en un mayor consumo. Por otra parte, existe una limitación en Ia vida útil de las baterías debido al proceso de conversión de Ia corriente asociado a Ia velocidad de almacenamiento por el deterioro que sufren las celdas debido al golpeo constante de Ia conversión de energía que da el cargador, Io que provoca un aumento de Ia temperatura derivando en daños a las baterías y en una disminución de su vida útil.
Una de las aplicaciones más conocidas de los inversores resulta aquella en Ia cual toma corriente alterna (AC) de Ia red de suministro convencional, como fuente principal de suministro, Ia convierte en corriente DC/CC para volverla a convertir en corriente alterna (AC) ante Ia falta de fluido eléctrico por averías o déficit en Ia generación, operando de este modo como un respaldo eléctrico que permite un suministro por si limitado en cuanto a Ia cantidad de corriente que puede aportar y en cuanto al tiempo de duración de dicho aporte. Sin embargo, desde hace algún tiempo los inversores se han comenzado a utilizar también asociados a otras fuentes de energía como Ia proveniente de celdas o paneles solares, generadores eólicos, etc, suministradores de corriente alterna (AC) Ia cual de igual modo someten al proceso de conversión antes descrito con las características y limitaciones ya mencionadas a Ia que se Ie suma que no toda Ia energía que estos dispositivos generan es adecuadamente aprovechada pues Ia energía que sobra y no es almacenada generalmente es disipada.
En relación con cargadores de baterías o bancos de baterías, en el estado conocido de Ia técnica se encuentra Ia patente JP2003299256, de fecha de publicación 2003- 10-17 y cuyo solicitante es NTT DATA CORP, en Ia misma se reivindica un cargador/descargador de energía que tiene Ia bondad de no tener pérdidas en el proceso de carga y descarga de baterías, sin embargo presenta como inconveniente principal que al no poseer censores no puede determinar aspectos tan importantes como Ia temperatura de las baterías cuando esta se eleva por el proceso de carga y descarga por el accionar del caudal de energía sobre las celdas de las baterías, Io que deriva en una pérdida de Ia vida útil de las baterías por el golpeo del caudal sobre las celdas, de igual modo Ia ausencia de censores impide determinar el nivel exacto de Ia energía existente en las baterías, a esto se Ie suma que el proceso de descarga es lento, y que no posee contador del caudal suministrado a las baterías. En este mismo sentido se presenta Ia patente US5396163, cuyo solicitantes son Inco Limited y Norvik Technologies, Inc, en Ia cual se reivindica un cargador para baterías que posee como bondad principal que no hace resistencia a Ia corriente disminuyendo Ia pérdida por resistencia, y que monitorea el estado de carga para evitar sobrecargas en las baterías, sin embargo presenta como inconveniente principal que es en una sola dirección, no posee censores que permitan monitorear Ia temperatura en Ia batería, además de ser un cargador para operar con un bajo caudal.
En Ia patente US6222343 de fecha de publicación 24 de abril de 2001, y cuyo solicitante es Milwaukee Electric Tool Corporation, se reivindica un cargador de baterías, un método de carga y un software que presenta como inconvenientes: que al partir de una fuente AC el cargador queda limitado al caudal demandado, aumenta
Ia pérdida por conversión, si el caudal es mayor que el amperaje que soporta el switch el cargador no podrá operar, no posee un contador de Ia corriente que se suministra a las baterías y de igual modo no esta diseñado para llevar un control de
Ia corriente suministrada a Ia batería, a todo Io antes expuesto anteriormente se Ie suma que opera en una sola dirección.
Otra solución referida a cargadores de baterías a partir de automóviles Io representa Ia patente US4638236, de fecha de publicación 1987-01-20 y cuyo solicitante es BUSCH & CO INC AG, en Ia misma se reivindica un cargador de baterías que opera a partir de Ia energía que se encuentra disponible en un encendedor eléctrico de cigarros del tipo que traen incorporados los automóviles, Ia invención reivindicada presenta como inconvenientes: el ser un cargador que parte de un caudal de energía bajo (amperaje bajo), necesita un rectificador Io que hace que Ia carga sea lenta y haya pérdida en el proceso, no es bidireccional, no posee contador del caudal suministrado, no monitorea los parámetros del proceso de carga, además se corre el riesgo que se descargue Ia batería local del automóvil si esta no recibe carga del alternador cuando Ia batería local está siendo drenada.
En el estado de Ia técnica es conocida Ia patente US4843251 , de fecha de publicación 1989-06-2, y cuyo inventor y solicitante es MCSORLEY SR HARRY J, en esta invención se reivindica un sistema para cargar baterías o bancos de baterías que presenta como inconveniente principal Ia pérdida que ocurre en el proceso de conversión de Ia energía cuando va a ser almacenada y Ia energía cuando va a ser entregada, es así que Ia pérdida por conversión se duplica, a esto se Ie suma que como no realiza monitoreo de Ia temperatura se corre el riesgo de un sobrecalentamiento de las celdas Io que disminuye considerablemente su vida útil, además este dispositivo opera en una sola dirección.
Es conocido en el estado de Ia técnica Ia utilización de Ia energía eólica o solar en Ia carga de baterías para Io cual se emplea un inversor que convierte Ia energía o corriente alterna (AC) que producen en corriente directa (DC/CC) para ser almacenada en baterías o acumuladores, un ejemplo de este tipo de tecnologías se presenta en Ia patente US5111127, con fecha de publicación 1992-05-05 y cuyo solicitante es JOHNSON WOODWARD, en Ia cual se reivindica un suministrador de energía portátil que posee una batería recargable, además de poseer un inversor/convertidor que convierte Ia energía alterna (AC) a energía directa (DC) y viceversa y que posee como suministro de energía para cagar Ia batería o acumulador paneles fotovoltaicos; este dispositivo resulta de fácil utilización dada su movilidad y carácter portátil, sin embargo presenta como inconveniente principal que una vez descargada Ia batería que suministra Ia energía esta no podrá ser cargada nuevamente hasta que las celdas reciban Ia intensidad de iluminación suficiente como para que puedan generar Ia energía necesaria para cubrir las demandas de Ia batería, por otra parte esta dependencia de Ia energía que suministra las celdas fotovoltaicas Ia hace limitada en cuanto a su uso pues no opera con energía proveniente de otras fuentes, a Io que se Ie suma que el tiempo que se requiere para cargar nuevamente las baterías es considerable, unido a que parte de Ia energía que recibe en dichas celdas fotovoltaicas no puede ser aprovechada cuando Ia batería o acumulador asociado se encuentra con Ia capacidades de almacenamiento cubiertas.
Igualmente conocido resulta Ia tecnología incorporada en los automóviles híbridos que usan, además del combustible, corriente eléctrica que pueden obtener de Ia red convencional de suministro o auto-generarla como una opción tendiente a disminuir el consumo de hidrocarburos.
En Ia patente JP10271694, de fecha de solicitud 1998-10-09, cuyo solicitante es NISSAN MOTOR se reivindica un dispositivo inversor/cargador que utiliza corriente alterna (AC) para cargar baterías, a Ia vez que monitorea los niveles de energía y Ia temperatura de una batería auxiliar en un carro eléctrico, este dispositivo si bien permite cargar baterías auxiliares y drenar Ia energía en un terminal, presenta como inconveniente que no es bidireccional, o sea que opera en una sola dirección en el proceso de carga y descarga de energía proveniente de Ia batería auxiliar, para ello requiere de una salida auxiliar para Ia energía que se drena, por otra parte el caudal de energía que suministra a Ia batería es un caudal de mantenimiento de niveles de energía, esto hace al proceso de carga lento, a Io antes expresado se Ie une que en el proceso de descarga de Ia batería hacia el terminal el proceso es lento haciendo ineficiente el sistema.
Por su parte en la patente US6847127, de fecha de publicación 2005-01-25, y cuyo solicitante es HYUNDAI MOTOR CO LTD, se reivindica un sistema y método para controlar Ia distribución de energía de una célula de combustible en un vehículo eléctrico híbrido. Este tipo de vehículo puede trabajar con el combustible que posee en su celda o con Ia energía que almacena y que emplea en su motor eléctrico, sin embargo este tipo de dispositivo, al menos los que se conocen en el mercado, están destinados para alimentarse de Ia energía alterna (AC) que suministra Ia red convencional de energía, dicha energía Ia convierte en DC/CC y Ia almacena en sus baterías o en caso contrario auto-genera Ia energía que precisa para su operación, sin embargo no está diseñado ni destinado para generar energía para almacenar en bancos de baterías o para aportarla al sistema electro-energético convencional.
Por otra parte Ia patente JP11 178234, con fecha de publicación 1999-07-02 y cuyo solicitante es NISSAN MOTOR reivindica un sistema de suministro de energía eléctrica a partir de un vehículo que puede ser útil ante averías o déficit en el suministro de Ia red convencional, mediante este dispositivo el carro eléctrico puede suministrar energía a Ia casa, sin embargo se encuentra limitado por varios aspectos dentro de estos se encuentra el hecho de que si Ia avería o el déficit en el suministro es demasiado prolongado se corre el riesgo de que las baterías del vehículo se descarguen totalmente, Ia otra limitación está referida al hecho de que si por cualquier motivo se requiere desconectar el vehículo Ia casa se queda sin energía pues el sentido no es el de drenar las baterías del vehículo hacia baterías disponibles en Ia casa sino el de suministrar energía directamente de las baterías del vehículo eléctrico hacia Ia casa; es preciso tener presente que de modo casi general este tipo de vehículos se alimenta de Ia energía directa (AC) proveniente de Ia red convencional que almacena en sus baterías e forma de corriente directa (DC).
Por otra parte en el estado Ia técnica es conocido que el alternador de un automóvil de combustión interna es un dispositivo que se utiliza para cargar baterías locales para el propio automóvil a partir de corriente alterna (AC) que genera, energía que luego de rectificada es almacenada en Ia batería local en forma de corriente directa (DC/CC) para las demandas del automóvil. Sin embargo, Ia utilización habitual y más conocida del alternador del automóvil se basa en cargar Ia batería del auto, y una vez que está cargada solo vuelve a generar carga para mantener determinados niveles en las baterías locales según las demandas, Io cual indica que pudiera ser empleado de modo casi constante en generar corriente alterna (AC) para convertir y almacenar en baterías o acumuladores en forma de corriente directa (DC/CC) para su posterior utilización. Es conocido además Ia utilización del alternador de autos para dar energía a casas móviles, Ia cual es almacenada en baterías locales o auxiliares para su posterior consumo, siendo esta una variante de empleo tendiente a optimizar el consumo de combustible empleado por el automóvil.
En Ia patente CA2157642 con fecha de publicación 1996-03-07, cuyos inventores son PROCTOR RICHARD L, KAHLE STEVEN H, STOKES WARREN D y YOUNG RICHARD H JR, se reivindica un sistema de monitoreo que controla un alternador para cargar baterías y determinar los niveles de amperaje y voltaje que existen en Ia baterías mediante un censor, este dispositivo presenta como inconveniente que el censor se limita a censar solo niveles de corriente sin reflejar en el sistema de monitoreo Io referido a un aspecto tan importante como Ia temperatura existente en las celdas por el golpe del flujo de corriente en el proceso de carga, esto es particularmente relevante cuando de alargar Ia vida útil de las baterías se trata.
En Ia patente JP9201075, con fecha de publicación 1997-07-31 y cuyo solicitante es TAJIRI YOSHIHIRO, se reivindica un sistema para usar un suministro de corriente alterna (AC) de 10O v como suministro para casos de emergencia o para usar en lugares donde no existe suministro de energía, dicho sistema está compuesto por un inversor que se adjunta a un automóvil para hacer Ia conversión de DC/AC de Ia energía proveniente de una batería o acumulador, Io que permite disponer de corriente alterna (AC) en casos de emergencia o en actividades fuera de casa o al aire libre a través de un enchufe proveniente del inversor del cual se obtiene Ia corriente alterna (AC), este sistema si bien representa una solución ante situaciones de emergencia presenta como inconveniente principal las limitación que posee relacionadas con Ia baja velocidad en Ia carga y descarga de las baterías o acumuladores, y Ia ausencia de un censor que informe sobre Ia temperatura existente en las celdas de Ia batería por el golpe del caudal de carga, Io que deriva en una limitación de Ia vida útil de las baterías.
Si bien el asunto energético, y de modo particular el relacionado con los hidrocarburos, constituye un problema de primer orden a resolver, se puede afirmar que Ia humanidad no ha sabido explotar al máximo las potencialidades de esta importante fuente de energía, esto lleva a pensar que Ia existencia de una solución tecnológica orientada no solo a aprovechar las potencialidades sino que permita alargar Ia vida útil de los yacimientos de hidrocarburos derivado de un mejor aprovechamiento de dichas potencialidades, permitir un proceso de carga y descarga de las baterías rápido y eficiente que alargue su vida útil, y aprovechar las capacidades instaladas en Ia producción de energía, se presenta como una solución viable, útil y necesaria en las condiciones actuales, todo Io cual constituye el objeto de Ia presente invención.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN:
El objeto de Ia presente invención se refiere a un cargador bidireccional del tipo empleado para cargar y descargar baterías que opera a partir de recibir una orden input/output de energía, el cual posee: un Power Supply o Suministrador De Energía (1), una Main Board o Tarjeta Principal (2), un Software o Programa (3), un Sistema De Monitoreo (4) y un Sistema Electromecánico o servomotor (5).
En las figuras:
La figura 1 es una vista general del esquema del cargador bidireccional donde se muestras los módulos que Io constituyen.
La figura 2 se muestra un esquema del cargador bidireccional donde se pueden apreciar los módulos que Io conforman y como se encuentran dispuestos. La figura 3 es un esquema en bloque de las operaciones que realiza el programa o software que controla las operaciones del dispositivo cargador bidireccional.
El cargador bidireccional se activa mediante un voltaje suministrado por una batería o varias baterías de 12 a 24 voltios DC, Ia cual es regulada por un Power Supply o Suplidor De Energía (1) que regula el voltaje a 5 voltios de corriente directa (DC) y reduce Ia corriente para que Ia Main Board o Tarjeta Principal (2) pueda entrar en funcionamiento, como se muestra en Ia Figura 2.
Luego de suministrarle los 5 v. de corriente directa (DC) Ia Main Board o Tarjeta Principal (2) activa el procesador para que el Software (3) se inicie y coloque el servomotor en posición listo para trabajar y comience a obtener información de los censores (S1, S2, S3 y S4), donde: S1 se emplea para chequear Ia posición que condiciona el estado 1 que es el estado donde se determina en que dirección va Ia carga en función del estado de las baterías, por su parte S2 se emplea para chequear Ia posición que condiciona el estado 2 de las baterías, e igualmente para determinar en que dirección se dirigirá Ia carga o flujo en función del estado de las baterías, es así que el estado de funcionamiento condicionara el sentido del flujo o caudal de corriente hacia Ia batería de menor carga, de este modo si Ia carga de S1 es mayor que Ia carga de S2 o viceversa, entonces el software ordena el cambio en los puentes del cableado de los polos, permitiendo que opere en cualquiera de las dos direcciones; S3 censa el estado de temperatura en el cableado y S4 indica el estado de demanda de corriente, como se muestra en Ia Figura 2.
Por su parte el Software (3) en primer lugar realiza un chequeo general del sistema comenzando por ubicar automáticamente al servomotor (5) en posición de listo para trabajar, a partir de Ia información que Ie suministra los censores S1 y S2 determina el estado de trabajo (estado 1 y estado 2) en función de orientar el flujo o caudal de corriente. Del censor S3 el software (3) obtiene Ia información referida a Ia temperatura de los polos del cableado de las baterías y si detecta que existe una temperatura inusual o elevada (inferior a 90 grados centígrados) en el cableado de las baterías informa Ia necesidad del chequeado de las mismas u ordena en el caso de que se este en medio del proceso de carga/descarga de las baterías una disminución en el caudal de suministro para disminuir el amperaje o apagar el sistema en el supuesto caso que no baste con disminuir el amperaje para proteger las baterías. Además el software (3) con Ia información que obtiene del censor S4, referida al caudal de corriente que existe el proceso de carga/descarga de las baterías, muestra reportes de demandas o aportes de energía operando como un contador de demanda/suministro, una vista de Ia ubicación de los censores se muestra en Ia figura 2 y el esquema de operación del software en Ia Figura 3.
El sistema en función de Ia protección de las baterías esta diseñado para que efectúe un chequeo o revisión constante; comienza el proceso de carga/descarga de baterías y opera en función del mismo durante 60 segundos continuos en los cuales está constantemente recibiendo información de sus censores y cada 6 segundos detiene únicamente el proceso de carga/descarga, tiempo en el cual el cableado disipa Ia energía calorífica causada por el paso del caudal y las baterías acomodan Ia carga, por su parte el sistema vencido los seis segundos y conociendo el estado general reinicia Ia operación de carga/descarga nuevamente durante 60 segundos más y así sucesivamente hasta que se completa totalmente Ia operación.
El sistema electromecánico (5) Io compone un servomotor que hace el contacto entre los polos de los cables que van a las baterías (7), en función del estado 1 o estado 2, para ello posee unas placas de cobre (6) que hacen contacto con dichos polos y en función de las órdenes que recibe del Software (3) es que se determina el sentido del flujo de corriente, ya sea para suministrar a las baterías o para demandar corriente de las baterías, haciendo que el cargador pueda operar en ambas direcciones.
El servomotor (5) es accionado por Ia Main Board o Tarjeta Principal (2) a Ia cual se encuentra conectado y funciona teniendo en cuenta los pulsos emitidos del botón de operaciones, según Ia función aplicada o de Ia información que de los censores recibe el Software (3). El servomotor (5) opera con Ia energía que proviene de un suministrador de voltaje (9) que entrega un voltaje al servomotor que oscila ente 3 y 30 v. y entre 1 y 3 A, el voltaje es regulado por resistencias, en el caso que el suministrador de voltaje (9) no Io posea integrado.
El sistema de monitoreo (4) como su nombre Io indica permite monitorear los parámetro de ejecución del sistema; sirve de interfase entre el operador y el sistema y por medio de el se puede visualizar Ia función de operaciones, el estado de las baterías, el estado de temperatura en el cableado, el estado de demanda de corriente y Ia información referida a Ia energía suministrada o demandada de las baterías.
Un ejemplo de realización que permita ilustrar y llevar a Ia práctica Ia presente invención, brindado a modo ilustrativo y no limitativo de su alcance se presenta a continuación, el mismo esta orientado a ilustrar un modo de construir el cargador bidireccional y además de suministrarse dos formas de empleo del mismo.
Para conformar el cargador bidireccional se toma un Power Supply o Suministrador De Energía que puede ser del modelo BUK100 DC DC Converter, el mismo esta compuesto por: un LM2575WVT, en Ia posición U201 , un capacitor de 100 uf 25 v. en Ia posición C201, un capacitar 220 uf a 25 v. una bobina de 330 mh en Ia posición R201 y R202 y en Ia posición D201 un diodo (D01).
Se toma una Main Board o Tarjeta Principal que puede ser del Modelo ES3000 y del Power Suppy o Suministrador De Energía se alimenta con voltaje de 5v proveniente de una batería y se conecta al puerto CN7 de esta Main Board o Tarjeta Principal para energizarla, se conectan los sensores S1 , S2, S3 y S4 a Ia Main Borad o tarjeta principal ES3000 de Ia siguiente manera:
• El S1 va conectado al puerto IPl
• El S2 va conecta al puerto I P2.
• El S3 va conecta al puerto IP3.
• El S4 va conectado al puerto IP4.
Posteriormente se conecta el servomotor o sistema electromecánico (5) a los puertos A, D, A/C, B/D, B, D de Ia Main Board o tarjeta principal (2). Por los puertos M+VE-AC, M+VE-BD y GND de Ia Main Board o Tarjeta Principal (2) ocurre Ia entrada o suministro de voltaje para el servomotor en un rango que oscila entre 3 y 30 v. y entre 1 y 3 A, el voltaje es regulado por resistencias si el suministrador de voltaje (9) no Io posee integrado. En el servomotor (5) se colocan las placas de cobre (6), estas hacen contacto con los polos (7) de uno de los cables de baterías fungiendo como puente. Los polos de Ia batería se conectan por las placas de cobre (6) colocadas sobre el servomotor (5) y de acuerdo al puente de conexión que se establece por orden del Software (3) a partir de Ia información que recibe de los censores se cargan o descargan las baterías, radicando en este particular Ia naturaleza bidireccional del cargador, todo Io cual se muestra en Ia Figura 2.
Posteriormente se procede a Ia conexión del sistema de monitoreo y control, para ello se puede emplear un display LCD que puede ser del modelo Tex/Bar-Graph PLED Display, que se conecta a los dos puertos DOUT TTL y al puerto BUSY 0/P que posee Ia Main Board o Tarjeta Principal (2) antes mencionada, Io que permite monitorear todas las funciones del sistema y que son emitidas por Ia Main Board o Tarjeta Principal (2) sirviendo de interfase con el operador del sistema.
Una vez integrados todos los módulos a Ia Main Board o Tarjeta Principal (2) se introducen en una caja o case quedando listo el dispositivo en su parte tangible, sin embargo para que sea operativo debe activarse con el Software (3) el cual es descargado desde un computador u otro dispositivo similar a través de un puerto serial RS232 que posee Ia Main Board o Tarjeta Principal (2) quedando el cargador bidireccional programado y listo para trabajar.
Para emplear el cargador bidireccional a partir del alternador de un automóvil como fuente de energía, se necesitan colocar en al auto un banco de baterías adicionales, por ejemplo dos baterías adicionales de 12 voltios interconectadas que se pueden colocar en el baúl del automóvil, estas baterías se conectan al cargador y este a su vez se conecta a Ia batería local del automóvil de Ia cual recibe corriente directa DC/CC que pasa a las baterías adicionales según Ia demanda de estas (partiendo de baterías totalmente vacías se estima un tiempo promedio de carga que oscila entre 30-40 minutos), ante Ia demanda del cargador a Ia batería local el alternador del automóvil continua trabajando mientras Ia batería local no se encuentre llena de energía suministrándole energía, una vez que las baterías adicionales se han completado con Ia carga de energía que suministra el cargador, este deja de demandar energía a Ia batería local del automóvil y el alternador igualmente una vez que completa su batería local deja de suministrar energía a Ia misma enviándolo solo un voltaje de mantenimiento. La dos baterías de 12 voltios a 200 amp/h. cada una significan aproximadamente 4800 watts/h de energía que se almacena y aprovecha y que puede posteriormente descargarse o drenarse con el mismo cargador hacia otro banco de baterías externo (por ejemplo el banco de baterías de una casa, una Industria, una planta eléctrica que trabaje a partir de un banco de baterías, al sistema electro-energético convencional, entre otros, sin que esto limite el alcance de sus aplicaciones) para Io cual se emplean de 1-10 minutos en el proceso de descarga, una vez descargadas las baterías auxiliares colocadas en el baúl del automóvil se encuentran nuevamente listas para ser cargadas.
Si partimos de otra fuente de energía, por ejemplo Ia energía que puede suministrar un panel solar o un sistema eólico de igual modo el cargador bidireccional se conecta a las baterías del panel solar o del sistema eólico o solar y a las baterías que va a cargar y Ie demanda energía a las baterías del sistema eólico o solar hasta que carga las baterías auxiliares para posteriormente drenarlas. Sin lugar a dudas, Ia aplicación del cargador bidireccional permite optimizar los periodos de utilidad de estos sistemas, por ejemplo normalmente un sistema solar o eólico genera corriente mientras las condiciones sean favorables esto Ie permite cargar sus baterías, sin embargo una vez que carga sus baterías el sistema es ineficiente pues Ia energía que pueda continuar generando no es aprovechable de ahí que algunos traigan instalados sistemas de disipación de energía, de este modo si se Ie incorpora un cargador como el reivindicado en Ia presente patente pudiera aprovecharse de un modo eficiente Ia energía generada por el panel solar o el sistema eólico procediendo a almacenarla en un banco de baterías que posteriormente pude ser drenado en apenas escasos minutos.
Otra de las posibles aplicaciones del cargador bidireccional objeto de Ia presente invención, dada al título ilustrativo y no limitativo de su alcance, consiste en drenar Ia energía acumulada en una batería o banco de baterías hacia otra batería o banco de baterías con déficit de energía, en el cual el cargador, según el esquema de funcionamiento suficientemente descrito con anterioridad en Ia presente memoria descriptiva, drena Ia energía almacenada de Ia batería o banco de baterías que poseen Ia carga hacia Ia batería o banco de baterías que presenta el déficit de energía, empleando para ello un tiempo promedio de 1-10 minutos.

Claims

CARGADOR BIDIRECCIONAL PARA BATERÍAS Y MÉTODO DE EMPLEO.REIVINDICACIONES:
1. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo caracterizado porque posee un Power Supply o Suministrador De Energía (1), una Main Board o Tarjeta Principal (2), un Software o Programa (3), un Sistema De
Monitoreo (4) y un Sistema Electromecánico o Servomotor (5).
2. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1, caracterizado porque a Ia Main Board o Tarjeta Principal (2) se conecta un Power Supply (1), un Sistema De Monitoreo (4) un Sistema Electromecánico o Servomotor (5) y se activa con un sistema operativo o Software (3).
3. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque el Power Supply (1) suministra a Ia corriente directa (DC) que necesita para operar Ia Main Board o tarjeta principal (2).
4. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque a Ia Main Board o tarjeta principal (2) se conecta en uno de sus puertos el censor S1 que se emplea para chequear Ia posición que condiciona el estado 1 donde se determina hacia donde va Ia carga en función del estado de las baterías.
5. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque a Ia Main Board o tarjeta principal (2) se conecta en uno de sus puertos el censor S2 que se emplea para chequear Ia posición que condiciona el estado 2 de las baterías?.
6. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque a Ia Main Board o tarjeta principal (2) se conecta por uno de sus puertos el censor S3 que capta información referida a Ia temperatura de los polos del cableado de las baterías.
7. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque en Ia Main Board o tarjeta principal (2) se conecta por uno de sus puertos el censor S4 que capta información referida al caudal de corriente que existe en el proceso de carga
S /descarga de las baterías.
8. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 , 2 caracterizado porque el servomotor (5) posee placas de cobre (6) que fungen como puente de contacto con los polos (7) de los cables de las baterías. 0 9. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia
REIVINDICACIÓN NUMERO 1 caracterizado porque opera en dos direcciones en el proceso de carga/descarga de baterías.
10. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 caracterizado porque el proceso de drenaje de5 las baterías toma entre 1-10 minutos.
11. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 caracterizado porque puede operar con corriente alterna (AC) proveniente de cualquier fuente mediante el empleo de un rectificador. 0 12. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia
REIVINDICACIÓN NUMERO 1 caracterizado porque puede operar con corriente directa (DC) proveniente de cualquier fuente.
13. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 caracterizado porque puede enviar cualquier5 caudal de corriente a las baterías sin que se afecten las celdas, aumentando su vida útil.
14. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque el software una vez que se inicie el sistema ordena al servomotor (5) que se coloque en posición0 listo para trabajar.
15. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque el software a partir de Ia información que Ie suministra el censor S1 orienta al servomotor (5) hacia donde va Ia carga en función del estado de las baterías.
16. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia
REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque el software a partir de Ia información que Ie suministra el censor S2 orienta al servomotor (5) hacia donde va Ia carga en función del estado de las baterías.
17. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque el software a partir de Ia información que Ie suministra el censor S3 censa el estado de temperatura en el cableado manteniéndolo en un rango inferior a 90 grados centígrados.
18. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque el software a partir de Ia información que Ie suministra el censor S4 indica el estado de demanda de corriente.
19. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque el software ordena el proceso de carga/descarga de las baterías durante 60 segundos continuos.
20. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque el software cada 6 segundos detiene el proceso de carga/descarga de las baterías.
21. Cargador bidireccional para baterías y método de empleo, de acuerdo a Ia REIVINDICACIÓN NUMERO 1 y 2 caracterizado porque posee un sistema de monitoreo que funciona como interfase entre el sistema y el usuario.
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