WO2021123468A1 - Método y sistema para calcular la energía disponible en una batería eléctrica en cualquier momento de su vida, sin descargarla, así como su autonomía, capacidad y vida remanente - Google Patents

Método y sistema para calcular la energía disponible en una batería eléctrica en cualquier momento de su vida, sin descargarla, así como su autonomía, capacidad y vida remanente Download PDF

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    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing

Definitions

  • This patent belongs to! electricity sector, more specifically the electrochemical sector, and specifically the battery sector, both rechargeable and single-use.
  • ED Available Energy of a battery
  • This method calculates it at all times of your life; that is, when it has aged, it has made unknown partial discharges since its last charge, and all this at any temperature.
  • the state of the ED of a battery is affected by multiple circumstances: such as old age, previous cycling, the electrochemical stress suffered, the partial discharges since the last recharge and the temperatures at which they have been carried out, including that of the battery at the time of analysis, etc.
  • the display shows the state of charge by showing the 100% data and, frequently, a small green battery full in one corner. But when it is old and freshly charged, the same information also appears and the autonomy is much less.
  • B, W, A Generic name of batteries. B is reserved for those that are new, charged, fully formed, and at rest. Batteries that are the object of this method are called W, with a certain old age and some charge, even new ones, at any moment of their life, and at any temperature. W and B are initially the same battery, it is called B when it is new and W when it is old. A is used for equivalent batteries that are new and charged, that is, those type B which will have an ED identical to the remaining energy available in the battery W under analysis.
  • BEC It is the Electric Consumption Balance. Note that such balance must be very complete, including not only discharges, but also charges, such as those from braking in an EV. And any current that can cause stress to the battery such as extra opening and closing currents, harmonics, etc., and also the foreseeable temperatures during each charge or consumption.
  • This Batanee is usually variable depending on the time. Putting the EV again as an example, to obtain it you must enter the electrical charges due to the chosen speed, the driving style, the weight and load of! vehicle, and the use or not of other consumers. If it is necessary to achieve more autonomy, the BEC can be changed by introducing lower requirements, in order to increase it. Some of the information may in turn be fixed, such as the slopes or slopes of a road to travel, or dynamic, and even alien to our performance, such as a variable temperature during such a journey. It is assumed that the EV has access to the forecasts or telematic information. It can be equipped with an alarm if consumption or autonomy changes. It is not the object of this patent to analyze or obtain the BEC that is taken for granted. c) Capacity, It is the ability of a battery to, given certain circumstances, transform the maximum power! electrochemical possible into useful electricity. And, if it is rechargeable, it measures its ability to transform electricity into the maximum possible electrochemical potential, It is measured in Ah,
  • C N It is the capacity of an equivalent battery A that is found as result of this method. It will be equal to or less than the C N of the analyzed battery. It also has a generic meaning. g) C N. It is the capacity at temperature T N of a battery W that at T N had a capacity of C N. At a temperature below the norm it is less than C N. There is a curve that relates them. This curve is valid at any time in its life. H) Remanent charge, useful electrical energy is also called charge. When a discharge is partial or the temperature does change, the charge that remains available in the battery is called the remaining charge or remaining energy, which are an approximation to ED, the difference being the minimum non-operating charge.
  • V f Available energy, ED. It is the maximum energy that can be obtained from a battery W at any time in its life, discharging it under certain conditions, until reaching the final voltage V f . All batteries, especially rechargeable batteries, have a final discharge voltage, which varies according to the intensity of discharge. In rechargeable batteries, this V f is the minimum that should not be exceeded, since it is an irreversible deterioration of the battery. On the other hand, it is usually close to the minimum operating voltage of the equipment it supplies.
  • the level or amount of percentage charge remaining in the battery W, compared to the maximum that the capacity at that moment allows, is called the state of charge.
  • the capacity has nothing to do with the state of charge, nor with the open circuit voltage when charged. It is necessary to know simultaneously the capacity and the state of charge to know what the DE is.
  • G n 1.0
  • 1.0 which is the family corresponding to the temperature T n , at which battery B has a capacity of C n .
  • a discharge equal to 1.0 C n Amp is chosen. for batteries They follow that they have, for example, capacities of 0.3 C n , 0.5 C n , 07 C n , and C n Ah. These curves allow their interpolation. See Figure 1. m) ID, li, l N. Discharge intensity, and also in plural. The first two spellings are generic. With the second, it is possible to refer to a set of generic discharge intensities ii, which by varying the subscript makes it possible to represent various specific intensities.
  • the reference norm is l N.
  • MCU Micro Controler Unit
  • CPUs Central Processing Unit
  • microprocessors memories, algorithms, software, etc.
  • Standard Ascribed to our sector, it is the set of rules, formulations, criteria, specifications and technical standards that imitate, specify, typify and define the parameters that characterize batteries.
  • the Standard can be dictated by anyone, but it is highly recommended to follow the known ones. In our case, specific for each technology the working temperature, discharge time and intensity, nominal and minimum voltage Vf at different discharge intensities, standard capacity! C N and minimum C m, among other things. All measurements and curves must follow this Standard. Each technology and Standard have different curves.
  • p personallyIt is the percentage of electrochemical potential or ED of an equivalent battery A with capacity C, which has been consumed by carrying out an incomplete discharge over the total initial potential !. Therefore, ED (1 - p) is equal to the remaining ED, p) Electrochemical potential, It is the resident energy in certain chemical substances that, correctly activated, can provide electrical energy.
  • the battery is a suitable container that contains a series of products with electrochemical potential, and it is the physical medium where the reaction takes place that transforms such potential energy into electricity.
  • the potential energy of a charged battery and a discharged battery are different.
  • the first situation is called active electrochemical potential, and the second passive electrochemical potential.
  • SAI Acronym for Uninterruptible Power Supply. In English UPS.
  • r System. Name of the device that allows automating the calculation of the method, for which it comprises a set of elements such as MCU, memories, microprocessors, electronic circuits, algorithm processor, voltmeter, arrester, ammeter, temperature sensor, stopwatch, ability to calculate parameters and generate curves, also including an adapter, the corresponding software and hardware, interface, etc., which allows us to report the variables and receive the results, and even consider information via telematics. Occasionally it is also called a Battery Management System, in English BftflS.
  • SLA-AGM Acronym for Sealed Lead Acid and Absorbed G ⁇ ass Material, which translates to hermetic lead acid with fiberglass spacers. It is the battery technology that this patent uses as an example, since it is possibly the most popular, mature, and with a fairly stable evolution, t) SOC. Acronym for State of charge, which translates to state of charge. Very frequently used in the sector. u) t N. Nominal time. It is the time that the norm sets that must elapse when battery B is discharged at intensity l N , at temperature T N and without the voltage falling below V f .
  • T N It is the temperature that the Standard proposes to measure the normalized values, and particularly during the basic generation of curves. When the temperature varies, the subscript "n", T n , is used generically. Usually T n is between -30 ° C, and 80 ° C. There is a curve that relates it to capacity. If a 1 Ah battery is required at different temperatures, the energy cost will be different.
  • Nominal voltage VN It is defined by the electrochemical battery construction technology. This voltage or voltage results from the algebraic sum of the normal reduction and oxidation potentials at 25 ° C of the electrodes. Thus, and as an example, it is calculated below for a lead battery.
  • the normalized oxidation potential of the positive electrode PbO 2 , cathode, at 25 8 C is of the order of +170 Volts.
  • the reduction potential is about -0'33 Volts. Add 2 ⁇ 3 Volts. You have to subtract the negative. And this is your V N. It can go up or down with the acid concentration, hence the measurement of the density of the electrolyte in open batteries gives an idea of its state of charge, since the discharge breaks down part of the acid in water. Charging the battery involves a reverse electricity circulation, and the electrodes will reverse their polarity.
  • Pulses of any type can also be used.
  • the status of the battery must be taken into account as far as it is known so that it is sympathetic to the ID. It is always advisable to start with the minimum operational downloads. In general they usually vary between 0.1 C n and 2 C n Amp. In the case of SLA-AGM, you can start between 0.6 C n and 1 C n Amp,
  • This method is applicable to any W battery at any time in its life. If the current capacity is known from previous measurements, even if it is out of date, it should be based on that value instead of the value of the nominal capacity when it was new. However, it remains the assumption that no prior information is available.
  • the autonomy can be calculated at the desired temperature. Even assuming that the temperatures and the discharges that occur are variable.
  • Capacity can also be calculated. After a recharge, when we observe that the charger does not supply appreciable electricity to the battery, we disconnect it and calculate ED. This value turns out to be the battery capacity W at the measurement temperature. If the battery is primary, the ED matches its capacity at all times.
  • the remaining life t R can be calculated. It should be clarified that the correct use of the term expected life t W serves to specify the maximum useful life of a new product under certain circumstances. The same concept can be used for batteries. It is more interesting to find in our patent the remaining life te, that is, the remaining useful life from any moment. It is convenient to start from the knowledge of the LM and LD curves, which are provided by the manufacturer and which can be standardized.
  • the battery W which is analyzed, has generated a curve Lw up to a point P (t P , C R ), at which point it is of interest to know the remaining life t R
  • the coordinate tp is the time elapsed since its entry into service until you want to know the remaining life t R.
  • a temperature sensor is required to measure the temperature of the W battery at the time of analysis. This data allows us to know the capacity C n at said temperature T n when it was new, by means of the corresponding curve.
  • the sensor supplies the temperature of W, which turns out to be TV. Using the corresponding curve, it is possible to know the capacity of the battery W, when it was new, B, at such a temperature, which turns out to be C n .
  • the battery is connected, and the arrester adjusts the initial ID h, following the user's criteria and the recommendations given in the Theoretical Base. If there are reasons to think that, given the conditions of the battery, it may have a capacity less than C n , iaID is appropriately lowered. This intensity must be the same as that used to generate G n , l .
  • the autonomy known as the BEC can be found. An example is given below.
  • a battery W with its known ED, correspond to an equivalent capacity of C 1 .
  • the BEC informs that two different consecutive D 1 and D 2 discharges will be carried out.
  • the first D 1 at intensity l 1 and temperature T 1 , has a duration of t 1 . It is understood that this discharge does not drain the battery.
  • the second discharge D 2 is carried out , which consists of an ID of faith, at a temperature T 2 , and for the maximum time that said remaining energy allows. It is interesting to calculate said autonomy.
  • the combination of the proposed downloads makes it possible to address all possible consumption approaches.
  • the percentage p of W energy that Di consumes over the total available is then calculated.
  • the ED provides the capacity. And with the curve of its evolution over time, its expected life t W and the remainder t R , provided that the subsequent treatment that the battery will receive is known.
  • FIG 2 a simplified diagram showing the flow of actions to find ED is represented, known the data that define the battery W. This diagram is not complete for the sake of clarity of the exposition. For example, the steps that apply to V 1 asking about stability, cycle counter etc., have been saved in V 2 and V 3 . Knowing C 1 , C 2 or C 3 means knowing A 1 , A 2 or A 3 , and therefore ED.
  • Figure 3 represents a simplified diagram that follows the automated process of the patented method applied to a device, that is, of the Preferred Application.
  • the objective is to manufacture a device that automates the method presented to find the DE of a battery W.
  • the simplified flow diagram according to Figure 3 is followed. It can be portable or not, and with adjustment capacity depending on the characteristics of the different batteries that you want to analyze in certain ranges of voltages or capacities. Or adapt from the beginning to a particular battery.
  • a system is required that includes an interface, an adapter, an arrester, temperature sensor, voltmeter, ammeter, stopwatch, an MCU and the necessary software to record, memorize and analyze the curves produced by the arrester and compare them with those it has in memory using the algorithms provided, etc.
  • This software will control the device as well as communications with external equipment. It is enabled for the technology and standard that the battery manufacturer specifies and it is much easier if you prepare for a specific battery. In this way, its use includes the following steps:
  • the manufacturer first informs about the battery technology, as well as its capacity C N , its nominal voltage VN, curves, etc. when it was new B.
  • the sensor supplies the temperature at which the battery is, T n .
  • T n the temperature at which the battery is, the System specifies the capacity C n , which is the one that corresponds to B, and which is the best approximation that we have in the first analysis.
  • the System can choose to display it on an interface, or supply it to another equipment that needs it, which is easily integrated into the device we already have.
  • the System ammeter detects that there is a continuous and stable discharge. If the discharge does not have these conditions, instantaneous and simultaneous values must be measured.
  • the ammeter provides the System with the current consumption l 2 , the voltmeter the voltage V 2 , the sensor the battery temperature W, T n , and C n is calculated. The steps outlined below follow.
  • C 3 should be similar to C 2 . However, and since the battery is not at rest, nor balanced, the measurements may be altered. The capacity found last C 3 is probably more exact, but it is reasonable to calculate a weight by giving the weight to each one according to what the specific application advises. Additional consecutive iterative measurements can also be made by changing the discharge etc. After this calculation, the DE is known, at the measurement temperature, that is the equivalent battery A 3 .
  • Another application is to find the battery capacity. If a charge is finished e! The system detects that the charger does not supply any intensity or is very small, disconnects said charger and proceeds to calculate ED. Under such conditions, the ED found coincides with the battery capacity.
  • the System saves in memory the capacities found over a period of time, generates a curve and extrapolates it, considering its database where L M and L D are , and knowing the foreseeable treatment, allows to obtain the expected life t W and the remainder t R.
  • the treatment will be similar to that previously received.
  • the rapid response of this device allows a more efficient use of battery power, as well! as a more correct maintenance, and even prematurely locate any anomaly. Or match the cells of a pack being manufactured. All this means optimizing the performance and life of the battery with the corresponding cost savings.
  • the Preferred Realization coincides with the Industrial Application.

Abstract

Este método calcula la energía disponible, ED, de cualquier batería W, sin descargarla, a cualquier temperatura Tn y en todo momento. Se genera una familia de curvas Gn,I, propias de cada batería y temperatura, descargando baterías de diferentes capacidades a una intensidad de descarga, ID, fija. Descargando W con igual ID produce un voltaje respuesta con el que entrando en Gn,I, se obtiene ED También proporciona su capacidad, autonomía, y vida remanente. Cuando la batería está completamente cargada, ED es la capacidad. Calculando Lw, se halla la vida remanente. Con la ED y el Balance de Consumos, se obtiene la autonomía. Se automatiza lo expuesto con un Sistema que comprenda; MCU, sensor de temperatura, descargador, voltímetro, amperímetro, interfaz, etc., obteniéndose la ED, capacidad, autonomía, y vida remanente. Su utilización permite la optimización del uso de las baterías, así como conocer su autonomía, por ejemplo, en un EV.

Description

MÉTODO Y SISTEMA PARA CALCULAR LA EMERGÍA DISPONIBLE EN UNA
BATERÍA ELÉCTRICA EN CUALQUIER MOMENTO DE SU VIDA. SIN DESCARGARLA, ASÍ COMO SU AUTONOMÍA, CAPACIDAD. Y VIDA
REMAMENTE
DESCRIPCIÓN
El sector de la técnica
Esta patente pertenece a! sector eléctrico, más concretamente al electroquímico, y específicamente al de baterías, tanto recargables como de un solo uso. Hasta hoy no se conoce ninguna manera fiable de hallar la Energía Disponible de una batería, en adelante ED, sin tenerla que descargar, salvo la correspondiente a la capacidad que facilita el fabricante cuando está nueva, cargada, y a la temperatura normalizada. Este método la calcula en todo momento de su vida; es decir cuando ya ha envejecido, ha realizado descargas parciales desconocidas desde su última carga, y todo ello a cualquier temperatura.
El estado de la técnica
Existen numerosos equipos que utilizan baterías eléctricas para su funcionamiento autónomo. El agotamiento imprevisible de la batería puede producir desde incomodidades, hasta graves problemas en función de las circunstancias del equipo que la tenga en uso.
Actualmente no se puede conocer la ED de una batería cuando esta envejece, sin descargarla. Y es de gran interés que no se descargue, especialmente cuando se necesite la energía que aún acumule de manera inmediata. También interesa conocer cómo afecta a la autonomía de la batería la temperatura a la que se halle o a la que vaya a estar durante su descarga.
El estado de la ED de una batería viene afectado por múltiples circunstancias: como la vejez, el ciclado previo, el estrés electroquímico sufrido, las descargas parciales desde la última recarga y las temperaturas a las que se han realizado, incluyendo la que tenga la batería en el momento del análisis, etc. En general todo el mundo tiene la experiencia de la autonomía de los teléfonos móviles, y su pérdida acelerada al final de su vida útil. Cuando la batería está nueva y recién cargada, la pantalla facilita el estado de carga apareciendo el dato del 100% y, frecuentemente, una pequeña batería verde llena en una esquina. Pero cuando está vieja y recién cargada, también aparece la misma información y la autonomía es muchísimo menor.
A! día de hoy, no se conoce a priori la autonomía de una batería en cualquier momento de su vida. Y muy especialmente si la batería va a ser afectada por una temperatura extrema. Esto ocurre porque la única información disponible proviene de la medición del voltaje, que no es fiable para conocer la ED, la capacidad o la autonomía, El voltaje puede orientar en ocasiones sobre el estado de carga, que vale para muy poco si no se conoce la capacidad.
Pocas veces la información de los minutos aún disponibles de un teléfono móvil es importante, aunque no siempre es así. En general, su temperatura de carga y uso cambian poco, lo que ayuda a mejorar la previsibilidad. Ayuda unirle el historial, autonomías previas, curva esperada de pérdida de capacidad, etc. Es decir, extrapolar la historia, pero errará completamente la previsión si a continuación se utiliza en una estación de esquí.
Existen otras aplicaciones donde el desconocimiento de la autonomía puede ser de enorme relevancia. Un buen ejemplo es el vehículo eléctrico, EV, donde un error de tal información puede significar no poder llegar por los propios medios a un punto de recarga, O en el caso de que tal punto esté ocupado o averiado, saber si se puede llegar o no al siguiente. De la misma manera es importante conocer la capacidad real de las baterías en actividades donde también es imprescindible la certeza del servicio, como centrales nucleares, trenes de alta velocidad, aviones, instalaciones solares, etc.
Puede ser ilustrativo el siguiente ejemplo. En febrero de 2019, Chicago registró temperaturas de -30°C. Esto supone unos 50°C de diferencia entre la temperatura de carga y la de uso de un EV. La pérdida de capacidad con tal diferencia es del orden del 55% de la capacidad remanente. Lo que significó que numerosos vehículos que se cargaron por completo y que en los días anteriores habían realizado sobradamente un determinado recorrido, ese día les resultó imposible y se quedaron parados en muchas carreteras sin energía. Esta es la importancia de conocer cómo afecta la temperatura. En muchos usos dicho desconocimiento implica al día de hoy un cambio preventivo y prematuro de las baterías ante las dudas de la capacidad real remanente. Una información correcta de tal parámetro supone grandes ahorros, ya que la batería puede trabajar hasta el límite de su vida, sin realizar cambios
Una vez conocida la ED, y como aplicación, estaremos en disposición de calcular la autonomía que tiene el equipo, sea un teléfono móvil, EV, SAI, etc., que es función del consumo que se prevea desde ese momento. Dichas necesidades vendrán detalladas en un Balance Eléctrico de Consumos, en adelante BEC. No es objeto de esta patente analizar el anterior Balance ni su obtención, que se da por conocido. Actualmente no se conoce ningún proceso o dispositivo que ofrezca una respuesta satisfactoria al problema expuesto. Es decir; nada que suministre una solución fiable, sin descargar la batería, condición esta última básica, si se necesita a continuación la carga disponible.
Recientemente están saliendo dispositivos contadores de consumo eléctrico que mejoran la información. Algunos contabilizan y memorizan ios últimos consumos para luego extrapolar, incluso acompañados de un algoritmo que sigue la curva de descarga. Pero que no tienen en cuenta aspectos que influyen drásticamente en la capacidad de las baterías, como la temperatura. Las temperaturas de carga y uso pueden tener grandes diferencias. No obstante, vamos a exponer todo lo que conocemos sobre el particular.
Existen diferentes métodos para calcular eí estado de carga, incluso el estado de salud o conservación, es decir la situación operativa de !a batería. Pero dan solo aproximaciones al problema que planteamos, con grandes errores y sin fiabilidad. Algunos métodos, incluso, consisten en calcular valores medios aplicando dos o más de ellos con el fin de intentar minimizar tales errores, Lo que únicamente tiene interés estadístico,
Gomo hemos justificado, se descartan completamente aquellos métodos que se basan en una descarga total de la batería aplicando un medidor de energía, y que deja a la batería imposibilitada para un uso inmediato. No se pueden aplicar a las baterías primarias, ni por supuesto a aquellas que van a cambiar de temperatura.
Sin ser exhaustivos se exponen a continuación algunos de los trabajos consultados: a) Los que miden la densidad del electrolito. El mayor inconveniente de estos métodos es que la mayoría de las baterías son herméticas, especialmente las primarias, por lo que hacen su uso imposible. En las baterías accesibles, el electrolito es ácido, con lo que ei método resulta muy inadecuado para el usuario común por su peligro. Implica la medición de todas las células que componen la batería, con lo que en las instalaciones que tienen un alto voltaje, y por tanto de número de células, supone un tiempo considerable. Aun así, el método está lejos de ser fiable.
En cualquier caso, son incapaces de hacer una predicción si la temperatura cambia. Y en ningún caso de la capacidad, aunque si pueden dar una idea del estado de carga, que sirve para muy poco sin conocer dicha capacidad, b) Ley de Peukert. Es un método clásico. No considera la temperatura. Este simple detalle lo descalifica. Puede encontrarse explicado en numerosos sitios, uno de los más sencillos es: https://en.wikipedia.org/wiki/Peukert%27s law c) Ley de Sbeperd. Se puede reaiizar el mismo comentario. Al ser clásicos son muy conocidos, por lo que no damos más detalles. d) Métodos basados en la resistencia interna. Aparte de la dificultad de toma de datos, tampoco consideran la temperatura. https://www.scienceabc.com/innovation/what-are-the-different-methods-to- estimate-the-state--of-charge-of-batteries.html e) Algunos trabajos recientes (con menos de año y medio) que se pueden encontrar en Internet donde se explican los métodos básicos tal como: https://academicae.unavarra.es/bitstream/handie/2454/21830/TFG Guembe Zabaieta-pdf?sequence=1&isAllowed=y f) También existen numerosas patentes en USA sobre el particular, Referimos las que entendemos que añaden aspectos más consistentes a nuestro objetivo, pero sin alcanzarlo. La siguiente que mencionamos, publicada hace cinco meses, recoge todo el conocimiento puesto al día y, a su vez, hace referencia a numerosas patentes anteriores. No obstante, no considera los cambios de temperatura. En parte nos basaremos en ella. En este primer link aparece tal y como se publica en el Boletín USA.
Patente USA n° 10,302,709, del 28 de mayo de 2019. De Shoa Hassani Lashidani et al. https://pdfsiw. uspto.gov/. piw?PageNum=0&docid= 10302709&IDKey=526058
D4F684&HomeUrl=http%3A%2F%2Fpatft.uspto.gov%2Fnetacgi%2Fnph-
Parser%3FSect1%3DPTQ2%2526Sect2%3DHITOFF%2526p%3D1%2526ü
%3D%25252Fnetahtml%25252FPTO%2S2S2Fsearch- bool,html%2526r%3D1%2526f%3DG%2526l%3D50%2526co1%3DAND%25
26d%3DPTXT%2526s1%3DCadex.ASNM.%2526OS%3DAN%2FCadex%25
26RS%3DAN%2FCadex g) A continuación, mostramos la misma patente en un formato más cómodo para imprimir y leer.
Patente USA n° 10,302,709, del 28 de mayo de 2019. De Shoa Hassani Lashídani et al. http://patft.usoto.gov/netacqi/nph-
Parser?Sect1=PTO1&Sect2-HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FP
TO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1 = 10.302.709.PN.&QS=PN/10.302.7
09&RS=PN/10.302.709 h) item más:
Patente USA n° 9,692,088 Koba et a!, 27 junio 2017, http://satft.uspto.qov/netacgi/nph-
Parser?Sect1=PT01&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FP TQ%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=9.692.088.PN.&OS=PN/9.692.088
&RS=FN/9.692.088 i) ítem más:
Patente USA n° 7,619,417 Klang 17 noviembre 2009. http://patft.uspto.gov/netacqi/nph-
Parser?Sect2=PTO1&Sect2=HlTOFF&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fse arch- bool.html&r=1&f=G&l=50&d=PALL&RefSrch=ves&Query=PN%2F7619417
Esta patente, en el apartado de "Capacity”, página 12, lineas 55 a 58 dice literalmente;
“Parece lógico que sería fácil calcular una capacidad pequeña de un a hatería, pero con el conocimiento actual ha sido y continúa siendo un desafío para la industria de ta batería”.
Es decir, en el momento en que se escribió esta patente se desconocía cómo hallar la capacidad de una batería. Esta patente la recoge Shoa Hassani, por lo que no parece que haya habido avances hasta hoy.
Adícionalmente, con ninguno de ellos se puede prever el comportamiento de la batería en cualquier momento de su vida y, muy especialmente, cuando la temperatura cambia.
Explicación del método
I - Glosario
Muchos de los términos que aquí se explican son conocidos, pero conviene concretarlos dados los numerosos errores de concepto que se encuentran en muchos libros y publicaciones. a) B, W, A: Nombre genérico de baterías. Se reserva B para las que son nuevas, cargadas, completamente formadas y en reposo. Se llaman W a aquellas baterías objeto de este método, con una cierta vejez y alguna carga, incluso nuevas, en cualquier momento de su vida, y a cualquier temperatura. W y B son inicialmente la misma batería, se llama B cuando es nueva y W cuando es vieja. Se utiliza A para las baterías equivalentes que son nuevas, y están cargadas, es decir aquellas tipo B que tendrán una ED idéntica a ¡a energía remanente de que dispone la batería W que se analiza.
En esta patente se utilizan como ejemplo las baterías de plomo ácido hermético con separadores de lana de vidrio, por sus siglas en inglés SLA-AGWL Sealed Lead Acid-Absorbed Glass Material. b) BEC: Es el Balance Eléctrico de Consumos , Adviértase que tal balance debe ser muy completo, donde se incluya no sólo las descargas, sino también las cargas, como por ejemplo las provenientes de una frenada en un EV. Y toda corriente que pueda producir estrés a la batería como extra corrientes de apertura y cierre, armónicos, etc., y asimismo las temperaturas previsibles durante cada carga o consumo.
Este Batanee suele ser variable en función del tiempo. Poniendo de nuevo como ejemplo el EV, para obtenerlo se debe introducir ¡as cargas eléctricas debidas a la velocidad escogida, el estilo de conducción, el peso y carga de! vehículo, y el uso o no de otros consumidores. Si se precisa conseguir más autonomía, se puede cambiar el BEC introduciendo menores requerimientos, con el fin de aumentarla. Parte de la información puede a su vez ser fija, como ¡as cuestas o pendientes de una carretera que recorrer, o dinámica, e incluso ajena a nuestra actuación, como una temperatura variable durante tal recorrido. Se supone que el EV tiene acceso a ¡as previsiones o informaciones telemáticas. Se le puede dotar de una alarma si los consumos o la autonomía cambian. No es objeto de esta patente analizar u obtener el BEC que se da por conocido. c) Capacidad, Es la aptitud que tiene una batería para, dadas unas determinadas circunstancias, transformar el máximo potencia! electroquímico posible en electricidad útil. Y, si es recargable, mide su aptitud para transformar la electricidad en el máximo potencial electroquímico posible, Se mide en Ah,
Lo que realmente se considera es la energía, por lo que se entiende que siempre se conoce el voltaje, En ocasiones se da como los watios posibles a suministrar durante un cierto tiempo, con un voltaje final Vr y a ia temperatura normada. Aquí se promete directamente una energía útil. No se consideran las diferencias de capacidad inicial de una batería y la máxima que se alcanza después de algunos ciclos, función de la completa formación, etc.
La capacidad disminuye cuando desciende la temperatura o cuando aumenta la intensidad de descarga. ch) Capacidad nominal CN. ES la capacidad inicial de una batería nueva, Se define, según la Norma, como aquella que permite una descarga la en un tiempo tN, a una temperatura TN, y con un voltaje final Vf. Verificándose: CN = IN x tN d) Capacidad mínima Cm. La Norma define cuál es la menor capacidad remanente aceptable en función del uso a que se destine la batería. Cm suele oscilar entre 0'6 y 0'8 CN. e) Capacidad remanente CR de una batería, es la existente en un momento dado, cuando haya transcurrido parte de la vida esperada y se haya perdido cierta capacidad inicial, f) C. Es la capacidad de una batería equivalente A que se halla como resultado de este método. Será igual o menor que la CN de la batería analizada. También tiene un significado genérico. g) CN. Es la capacidad a la temperatura TN de una batería W que a TN tenía una capacidad de CN. A una temperatura inferior a la normada es menor que CN. Existe una curva que las relaciona. Dicha curva es válida en cualquier momento de su vida h) Carga remanente, A la energía eléctrica útil se le llama también carga. Cuando una descarga sea parcial o sí cambia la temperatura, a la carga que queda disponible en la batería, se le llama carga remanente o energía remanente, que son una aproximación a ED, siendo la diferencia la carga mínima no operativa.
I) Energía disponible, ED. Es la máxima energía que se puede obtener de una batería W en cualquier momento de su vida, descargándola en determinadas condiciones, hasta llegar al voltaje final Vf. Todas las baterías, especialmente las recargables, tienen un voltaje final de descarga, que varía según la intensidad de descarga. En las recargables este Vf es el mínimo que no se debe rebasar, ya que supone un deterioro irreversible de la batería. Por otra parte, suele estar cerca del voltaje mínimo operativo del equipo que alimenta.
En las primarias este concepto no es aplicable, ya que simplemente el equipo deja de funcionar. En ese punto Vf, existe una cierta carga mínima, o energía mínima, que proporcionalmente es muy pequeña. El concepto de ED resulta ser e! total de energía remanente menos esa energía mínima de la que no se debe disponer para evitar estropear la batería, y que habitualmente se desprecia por su valor relativamente muy pequeño. Resulta fácil de calcular. Dicha energía mínima varía para la misma batería en función de la temperatura y de la intensidad de descarga, ID. Dada la pequeña diferencia, y en primera aproximación, aceptaremos en determinados puntos usar indistintamente ED, carga remanente o potencial electroquímico activo. j) Estado de carga. Al nivel o cantidad de carga porcentual remanente de la batería W, frente a la máxima que la capacidad en ese momento permita, se le llama estado de carga. La capacidad no tiene relación alguna con el estado de carga, ni con el voltaje en circuito abierto cuando está cargada. Hay que conocer simultáneamente la capacidad y el estado de carga para saber cuál es la ED.
Existe una curva que relaciona el estado de carga con el voltaje. El acrónimo en inglés es SOC, State of charge. k) EV. Es el acrónimo en inglés de electrical vehicie, vehículo eléctrico.
Habitualmente se llama asi a los 100% eléctricos. Si son mixtos se llaman híbridos, HEV. Y si adicionalmente son enchufadles, PHEV. l) Gn,i. Dada una batería nueva B con capacidad Cn, voltaje VN y a temperatura Tn, se llama así a una familia de curvas de descarga generadas por una misma ID fija I, aplicada a B y a varias baterías nuevas y cargadas de diferentes capacidades inferiores a B, todas a igual temperatura. La ID está predeterminada manualmente o por el Sistema, suele variar entre 0'1 Cn y 2 Cn Amp., y las capacidades de las baterías a descargar entre 0'1 Cn y Cn Ah. Un ejemplo posible es Gn,1'0, que es la familia correspondiente a la temperatura Tn, a la que la batería B tiene una capacidad de Cn. Se escoge una descarga igual a 1'0 Cn Amp. para las baterías que siguen que tienen, por ejemplo, capacidades de 0'3 Cn, 0'5 Cn, 07 Cn, y Cn Ah. Estas curvas permiten su interpolación. Ver Figura 1. m)ID , li, lN. Intensidad de descarga, y también en plural. Las dos primeras grafías son genéricas. Con la segunda, se puede hacer referencia a un conjunto de intensidades genéricas de descarga ii, que al variar el subíndice permite representar varias intensidades concretas. La normada de referencia es lN. Se mide en amperios y, orientativamente, en este método varia entre lN Amp. y 60 lN Amp. En baterías SLA, las descargas usuales varían entre 0'01 y 3 CN Amp. La normada para conocer la capacidad en el plomo suele ser 0'05 CN Amp. y tN = 20 h. Las descargas se realizan hasta un voltaje Vf para que la batería no se dañe. Las curvas se representan en unos ejes de coordenadas cartesianos ortogonales que miden el voltaje en las ordenadas y el tiempo en las abscisas en una escala logarítmica.
No debe perderse de vista que cuando se demanda a una batería una descarga de I Amp., lo que realmente se hace es requerirle energía, es decir, se descargan vatios hora, ya que se trabaja a unos determinados voltios y durante un cierto periodo de tiempo. n) MCU. Sigla del inglés de Micro Controler Unit, es decir de Unidad de Micro Control. Comprende las CPU (Central Processing Unit), con uno o más microprocesadores multlnúcleo, memorias, algoritmos, software, etc. ñ) Norma. Adscribiéndonos a nuestro sector, es el conjunto de regias, formulaciones, criterios, especificaciones y estándares técnicos que ¡imitan, concretan, tipifican y definen los parámetros que caracterizan a las baterías.
Permite conocer y comparar fácilmente sus prestaciones. Entre las normas técnicas más conocidas se pueden mencionar DIN, JiS, IEC, CEI, UL. Mientras unas se centran en consideraciones técnicas, otras lo hacen en la seguridad de uso.
La Norma puede ser dictada por cualquiera, pero es altamente recomendable seguir las conocidas. En nuestro caso, específica para cada tecnología la temperatura de trabajo, el tiempo e intensidad de descarga, voltaje nominal y mínimo Vf a distintas intensidades de descarga, capacidad norma! CN y mínima Cm, entre otras cosas. Todas las mediciones y curvas deben seguir dicha Norma. Cada tecnología y Norma suponen distintas curvas. o) p„ Es el porcentaje de potencial electroquímico o de ED de una batería equivalente A con capacidad C, que se ha consumido al realizar una descarga incompleta sobre el total potencial inicia!. Por lo que ED(1 - p) es igual a la ED remanente, p) Potencial electroquímico, Es la energía residente en ciertas substancias químicas que, correctamente activadas, pueden proporcionar energía eléctrica. La batería es un recipiente adecuado que contiene una serie de productos con potencial electroquímico, y es el medio físico donde se produce la reacción que transforma tal energía potencial en electricidad.
En una batería cargada y aislada no existe electricidad alguna. Solo existirá propiamente electricidad cuando se produzca la reacción electroquímica que la genera, Y para desencadenarla es necesario un circuito exterior conectado a la misma, La electricidad la produce la reacción química que tal conexión causa.
La energía potencial de una batería cargada y otra descargada son diferentes. A la primera situación se la denomina potencial electroquímico activo, y a la segunda potencial electroquímico pasivo. q) SAI, Acrónimo de Sistema de Alimentación Ininterrumpida. En inglés UPS. r) Sistema. Nombre del dispositivo que permite automatizar el cálculo del método, para lo que comprende un conjunto de elementos tales como MCU, memorias, microprocesadores, circuitos electrónicos, procesador de algoritmos, voltímetro, descargador, amperímetro, sensor de temperatura, cronómetro, capacidad de calcular parámetros y generar curvas, comprendiendo asimismo adaptador, los correspondientes software y hardware, interfaz, etc., que nos permite informar de las variables y recibir los resultados, e incluso considerar información vía telemática. Ocasionalmente también se le llama Sistema de Gestión de la Batería, en inglés BftflS. Aunque este último término, con frecuencia, se suele usar para una gestión mucho más simple de control sobre la carga, la descarga, y el limitador. s) SLA-AGM. Siglas de Sealed Lead Acid y Absorbed Gíass Material, que se traduce por plomo ácido hermético con separadores de fibra de vidrio. Es la tecnología de batería que esta patente usa como ejemplo, ya que posiblemente sea la más popular, madura, y con una evolución bastante estable, t) SOC. Acrónimo de State of charge, que se traduce como estado de carga. De uso muy frecuente en el sector. u) tN. Tiempo nominal. Es el tiempo que la Norma fija que debe transcurrir cuando la batería B se descarga a intensidad lN, a la temperatura TN y sin que el voltaje baje de Vf. Cuando se refiera a valores genéricos del tiempo se utiliza t. Si se escribe tM significa que es el tiempo de máxima autonomía de una batería con capacidad C, a una ID concreta. Suelen aplicarse gráficos logarítmicos donde la abscisa es laID y la ordenada la autonomía. Ver Figura 4. Se suele utilizar tN =
20h para el plomo. v) TN Es la temperatura que la Norma propone para medir los valores normalizados, y particularmente durante la generación básica de curvas. Cuando la temperatura varía se utiliza genéricamente el subíndice "n", Tn. Usualmente Tn está entre -30°C, y 80°C. Existe una curva que la relaciona con la capacidad. Si se requiere de una batería 1 Ah a distintas temperaturas, el coste en energía será distinto. w) Voltaje nominal VN. Viene definido por ia tecnología electroquímica de construcción de la batería. Este voltaje o tensión resulta de la suma algebraica de los potenciales normales de reducción y oxidación a 25°C de los electrodos. Así, y como ejemplo, se calcula a continuación para una batería de plomo. En la descarga con una concentración 4 molal de ácido sulfúrico, el potencial normalizado de oxidación del electrodo positivo PbO2, cátodo, a 258C, es del orden de +1 '70 Volts. Y para el electrodo negativo Pb, ánodo, el potencial de reducción es de unos -0'33 Volts. Suma 2Ό3 Volts. Hay que restar el negativo. Y este es su VN. Puede subir o bajar con la concentración de ácido, de ahí que la medida de ia densidad del electrolito en baterías abiertas dé una idea de su estado de carga, ya que la descarga descompone parte del ácido en agua. La carga de la batería supone una circulación de electricidad inversa, y los electrodos invertirán su polaridad. Si una batería secundaria en reposo tiene un voltaje inferior a Mu, necesita una recarga urgente x) Voltaje máximo VM es el que la batería alcanza cuando está en reposo y completamente cargada. Debe ser siempre superior a VN. y) Voltaje intermedio Vv. Es un voltaje genérico que varía entre VM y Vf. z) Voltaje final Vf Es el mínimo que se puede alcanzar en una descarga para evitar que la batería se dañe. En ese punto final Vr aún quedará una cierta carga remanente muy pequeña. El voltaje final Vr varía en función de la intensidad de descarga, Ver más en i). ll - Base teórica
Este método tiene su origen académico en un enfoque que hasta ahora no ha evolucionado. Una gran parte del sector plantea implícitamente el problema como si la batería fuera un depósito de gasolina. Se requiere en cualquier momento y condición que estén disponibles los mismos litros que se han introducido. En el caso de la batería, los mismos amperios hora suministrados. Y no es asi.
El método que se patenta resulta válido tanto para baterías primarias como recargables, abiertas o herméticas, y de cualquier tecnología, siempre que descontemos el efecto memoria. Para las baterías secundarias, la reversibilidad no consiste únicamente en el proceso electroquímico, sino también en el mecánico, ya que las masas activas deben ser repuestas en los correspondientes electrodos cuando el proceso de carga los regenere. Estas reacciones son siempre exotérmicas, por lo que parte de la energía utilizada se empleará en la producción de calor.
Como las curvas Gn,l, son la base de esta patente, se explica su obtención a continuación. Dada una batería nueva B con capacidad Cn, voltaje VN, y a una temperatura Tn, se llama así a una familia de curvas de descarga producidas por una misma ID fija I, aplicada a B y a varias baterías nuevas de diferentes capacidades inferiores a B, siempre a ía misma temperatura. La ID está predeterminada manualmente o por el Sistema, suele variar entre 0'1 Cn y 2 Cn Amp. y las capacidades entre 0'1 Cn y Cn Ah. Un ejemplo posible es Gn,1'0. que es la familia correspondiente a la temperatura Tn: a la que la batería B tiene una capacidad de Cn. Se escoge una descarga igual a 1'0 Cn Amp . para las baterías que siguen, que tienen capacidades de 0'3 Cn, 0'5 Cn, 0'7 Cn, y CnAh. Estas curvas permiten su interpolación. Ver Figura 1.
A continuación, se utiliza la misma descarga I y se aplica a W, que devuelve una respuesta Vv, comenzando una curva de descarga nueva. Con dicha respuesta buscamos en Gn,l una batería equivalente A, lo que permite bailar ED. El comportamiento de A será idéntico al de la batería W en ese momento, por lo que para considerar cualquier cambio deID o de Tn, utilizaremos esta batería equivalente, que tendrá la misma respuesta. En nuestro ejemplo, la curva generada es la de puntos, y A tendrá una capacidad de 0'4 Ah.
Volviendo a evaluar los criterios para escoger las ID debe considerarse que las curvas que se produzcan proporcionen una respuesta clara y diferenciable. Si la descarga fuera proporcionalmente muy pequeña, la cercanía entre sí de las curvas respuesta dificultaría su diferenciación. Tampoco conviene que la descarga sea demasiado grande ya que implicarían conexiones y resistencias sobredimensionadas para los objetivos,
Cuando unaID es proporcionalmente muy alta, la capacidad disminuye mucho debido a que la reacción electroquímica no tiene tiempo de completarse alcanzando a toda ia masa activa, como asimismo a la energía dedicada a producir calor. El calor que debe disiparse, supone una pérdida irrecuperable de potencial electroquímico, aunque ei efecto es pequeño ya que el tiempo es muy breve, entre cinco y veinte segundos. Adicionalmente se produce un cierto estrés a ia bateria.
Pueden utilizarse también pulsos de cualquier tipo. Debe tenerse en cuenta la situación de la bateria hasta donde se conozca para que se compadezca con laID . Siempre conviene empezar por las descargas mínimas operativas. En general suelen variar entre 0'1 Cn y 2 Cn Amp. En el caso de SLA-AGM se puede comenzar entre 0'6 Cn y 1 Cn Amp,
Este método es aplicable a cualquier batería W en cualquier momento de su vida. Si por mediciones previas se conoce la capacidad actual, incluso aunque esté desfasada, debe partirse de ese valor en lugar del valor de la capacidad nominal cuando era nueva. No obstante, se sigue suponiendo que no se dispone de información previa.
Asimismo, y como utilidades o aplicaciones existen las siguientes. Conocida la ED y el BEC, se puede calcular la autonomía a la temperatura que deseemos. Incluso en el supuesto que las temperaturas y las descargas que se produzcan sean variables.
También se puede calcular la capacidad. Después de una recarga, cuando observemos que el cargador no suministra electricidad apreciable a la batería, lo desconectamos y calculamos ED. Dicho valor resulta ser la capacidad de la batería W a la temperatura de medida. Sí la batería fuera primaria, la ED coincide con su capacidad en todo momento.
Con la curva de la evolución de la capacidad en el tiempo, puede calcularse la vida remanente tR. Debe aclararse que el uso correcto del término vida esperada tW, sirve para especificar el tiempo máximo de vida útil de un producto nuevo en unas circunstancias determinadas. Se puede utilizar el mismo concepto para baterías. Interesa más hallar en nuestra patente la vida remanente te, es decir, la restante vida útil a partir de cualquier momento. Conviene partir del conocimiento de las curvas LM y LD, que facilita el fabricante y que pueden estar normalizadas.
Para calcular dichas curvas se utilizan unos ejes cartesianos ortogonales en los que se mide en las abscisas el tiempo, y en las ordenadas las capacidades. Se calcula L¡w utilizando la batería con el máximo cuidado posible, y memorizando los puntos formados, a lo largo de su vida, por su capacidad y el momento de su medición. U& acaba en el punto que señala su vida máxima ( tM , Cm) donde la ordenada alcanza la capacidad mínima operativa Cm. Véase Figura 5. De la misma manera se haya la curva LD, en donde se da un trato abusivo a la batería, produciéndose un gran deterioro prematuro, cuya vida se extiende hasta ( tD, Cm). Ambas curvas parten del mismo punto (0, CN l Cn), al ser las baterías evaluadas idénticas. Sí la temperatura de medición de ia capacidad habitual es Tn, dicho punto es (0, Cn).
Por último, la batería W, que se analiza, ha generado una curva Lw hasta un punto P (tP, CR), momento en el que interesa conocer la vida remanente tR La coordenada tp es el tiempo transcurrido desde su entrada en servicio hasta que se desea saber ¡a vida remanente tR.
Se acepta, por el momento, que el trato que va a recibir ¡a batería sea similar al recibido. A partir del punto P resulta fácil interpolar entre LM y LD para extrapolar ¡a curva hasta Cm, y obtener por una parte la vida esperada real tW, con el trato particular recibido, y asi obtenemos la vida remanente te desde el punto P que resulta ser: tR - tW - tP.
Si se espera una variación del trato o de las condiciones de vida, la interpolación permite considerarlo. En ia Figura 5 se ha supuesto que dicho trato esperado era similar al ya recibido. Sí no fuera así, las matemáticas trazarían una curva más cercana a LM o a LD
III - Información y equipamiento necesarios para el análisis Interesa disponer al menos de los equipos y datos que se enumeran a continuación. a) El fabricante informa de la tecnología empleada en la fabricación de la batería W, de su capacidad nominal Cn y de su voltaje nominal Mu cuando eran nuevas, curvas, etc., y de la Norma que se aplique para definir la batería,
(DIN, JIS, SAE, etc.). b) Se necesita un sensor de temperatura que mida la que tiene la batería W en el momento del análisis. Este dato nos permite conocer la capacidad Cn a dicha temperatura Tn cuando era nueva, mediante la curva correspondiente. c) Debe disponerse de un descargador, con conexiones adecuadas a la batería, que permita escoger lasID que serán del orden de 0'1 , 0'6, 1 '0, 1 '2, 1 '4, y 2 Cn Amp. o intermedias. Se propone una ID preferente de 1'0 Cn Amp. Pero se puede utilizar cualquier otra Adicionalmente se dispone de amperimetro y voltímetro. dj Las familia de curvas de descarga Gn,l, correspondientes a la temperatura ΊU e) Tablas logarítmicas a las diferentes temperaturas del rango, que Informen de la autonomía en función de la descarga para cada capacidad midiendo las descargas en las abscisas y la autonomía en las ordenadas, diferenciándose según tecnologías y voltaje. Siempre se debe respetar el voltaje final Vf de la batería siguiendo la Norma. Se incluye un ejemplo según Figura 4. f) Para calcular la autonomía, es necesario conocer el BEC. g) En el caso en que se detecte que hay un cargador actuando, debe poderse desconectar. Tampoco se admiten cargas o descargas variables en ningún momento del análisis a nivel manual o de laboratorio. Aunque en la Aplicación Industrial si se pueden considerar asi como realizar iteraciones que permitan una mayor precisión. h) Para calcular la vida esperada, tW y la remanente tR en un determinado momento es preciso tener información del trato que va a recibir la batería, y asimismo conviene disponer de las curvas ü» y Lo,
IV - Explicación del funcionamiento del método
Se expone aquí cómo obtener ED de una manera sencilla, con la ayuda de un aparataje básico. Se sigue el diagrama de flujo simplificado según Figura 2. Posteriormente, en la Realización Preferente se explica la manera de automatizar todo ello para que pueda ser utilizado sencillamente por cualquier usuario.
Cuando se comienza el análisis pueden producirse dos situaciones. Que la batería se encuentre en perfecto reposo, o que esté soportando alguna descarga. El amperímetro aclara en que caso estamos. Se comienza por una batería W en reposo según el siguiente orden; 1) Se conoce la tecnología de la batería, su capacidad CN cuando era nueva, su voltaje nominal VN, así como las curvas Gn,l1 para la ID escogida l1.
2) El sensor suministra la temperatura de W que resulta ser TV La utilización de la curva correspondiente permite conocer la capacidad de ia batería W, cuando era nueva B, a tal temperatura, que resulta ser Cn.
3) Se conecta la batería, y el descargador ajusta laID inicial h, siguiendo el criterio del usuario y las recomendaciones que se dan en la Base teórica. Si existen razones para pensar que, dadas las condiciones de la batería, puede tener una capacidad menor que Cn, se disminuye adecuadamente iaID . Esta intensidad debe ser la misma que la utilizada para generar Gn,l.
4) Comienza ia descarga. Se observa la curva del descargador durante el tiempo necesario, algunos segundos, hasta que se estabilice y se obtenga un voltaje estable Vv, y por tanto el inicio de ia curva de descarga. Si esta curva no está clara, seguiremos probando con algo más de tiempo o con otras descargas. Cada descarga supone diferentes curvas Gn,l.
5) Como ejemplo se propone Gn,1'0, donde se busca, interpolando si es preciso, la curva producida por la descarga l1 = 1'0 Cn Amp . de ia batería W, y que comienza con el voltaje respuesta Vv. En este ejemplo resulta ser la curva correspondiente a 0'4 Cn Ah. Ver Figura 1. Esta curva de descarga es igual a la que produce una batería equivalente A, nueva, cargada, y con una capacidad de C = 0'4 Cn Ah.
6) Se concluye que la ED de la batería analizada W, tiene un comportamiento análogo al de una batería equivalente A, nueva, con capacidad C = 0'4 Cn Ah, y completamente cargada. Ahora se conoce la ED buscada, que resulta ser la de la batería A.
En el segundo caso existe un consumo que no se desea o no se puede evitar, lo que resulta ser una situación habitual, Se vuelve a poner como ejemplo un EV. Algunos consumidores no se pueden inhibir, tales como el reloj, ordenador de a bordo, etc, incluso aunque para el cálculo podamos apagar los más importantes como el motor, o el aire acondicionado. En este caso se deben conseguir valores instantáneos y perfectamente simultáneos del amperímetro, l2, y del voltímetro, Va. A continuación, se procede como sigue. 1) Se dispone de fe, de V2, y de la temperatura de la batería Tn,
2) También de las curvas Gn,l2 correspondiente a fe amperios y a la temperatura Tn, La descarga fe genera una curva que se inicia con V2 con la que se obtiene una batería equivalente A2 con capacidad Cfe, nueva y cargada,
3| En el caso en que fe sea demasiado pequeña, a continuación, se añade la descarga adicional de l1 Amp., que es la misma que se utilizaría si la batería estuviera en reposo, y se repite e! proceso anterior teniendo en cuenta que ahora se busca en Gn,13 ya que la ID es ahora; l3 = l2 + l1 Amp.
En teoría, se debería volver a encontrar la misma capacidad C2, No obstante, y dado que la batería no está en reposo, ni equilibrada, las mediciones pueden estar distorsionadas y puede encontrarse una C3 diferente Opinamos que es más exacta la capacidad hallada en esta última ocasión, pero es razonable realizar una ponderación dando el peso a cada una según lo que ¡a situación concreta aconseje. O realizarse más descargas.
Si se ha utilizado con anterioridad este método, cuando la batería ya no era nueva, y se conoce aproximadamente su capacidad actual, se utiliza esta última como nominal de partida. Por io que, rigurosamente hablando, sólo en el primer cálculo se utiliza CN. En cálculos subsiguientes se parte de la última capacidad hallada. Por io que nunca se repite la capacidad original en sucesivos usos del método. Salvo cuando se utilice iterativamente para retinar la respuesta.
Una vez calculada la ED a ia temperatura de medición, como utilidad o aplicación, se puede hallar la autonomía conocido el BEC. Se pone a continuación un ejemplo.
Sea una batería W, con su ED conocida, a la que corresponde una capacidad equivalente de C1. El BEC informa que se van a realizar dos descargas consecutivas D1 y D2 distintas. La primera D1, a intensidad l1 y temperatura T1, tiene una duración de t1. Se entiende que esta descarga no agota ia batería. A continuación, con la energía remanente se realiza la segunda descarga D2, que consiste en unaID de fe, a una temperatura T2, y durante el tiempo máximo que dicha energía remanente permita. Interesa calcular dicha autonomía. La combinación de las descargas propuestas permite abordar todos los planteamientos posibles de consumo. Se calcula a continuación el porcentaje p de energía de W que Di consume sobre el total disponible. a) Con la tabla logarítmica Figura 4 correspondiente a nuestros parámetros T1, l1, C1, etc., se halla el tiempo de autonomía tota! te que permite la batería. bj La relación t1 /tM1, es el porcentaje aproximado de energía utilizado por D1 en el tiempo t1. Es decir p. La energía remanente es ED (1 - p), a la que corresponde una nueva batería equivalente con una C2 que se utiliza a continuación. c) De nuevo con la tabla logarítmica y las curvas que correspondan a D2, l2, C2 y 12, se halla te. Este punto informa del tiempo tota! de autonomía de W con las condiciones anteriores.
Utilizar el tiempo introduce un cierto error ya que desconocemos ios valores medios de V, más laboriosos de encontrar en el último tramo de la curva. Se puede hacer un cálculo rápido más aproximado suponiendo los valores medios de V, Aunque si realizamos un análisis de sensibilidad se comprueba que errores del 2 o 3% en su cálculo, producen variaciones pequeñas en el valor de la energía. Por último, sería más correcto obtener la ecuación de la curva de descarga y realizar una integración, pero añadiría una innecesaria exactitud y una evidente complejidad. Cuando se automatiza el método en la Realización Preferente, el cálculo de la ED es instantáneo y exacto.
Para terminar, se exponen aquí dos utilidades o aplicaciones adicionales. Cuando la batería que se analiza esté completamente cargada y en reposo, la ED proporciona la capacidad. Y con la curva de la evolución de la misma en el tiempo, su vida esperada tW y la remanente tR, siempre que el trato posterior que vaya a recibir la batería sea conocido.
Breve Descripción de los Dibujos
Se incluyen cinco figuras que ayudan a comprender el método. Son particuiarizaciones, por lo que pueden ser sustituidas por otras incluso con variaciones, sin perder validez ni afectar al alcance de lo expuesto. En la Figura 1, se representa un ejemplo de una familia de curvas de descarga Gn,1'0 Cn, de una batería B nueva con una capacidad Cn, a la temperatura Tn, y utilizando una ID , I = 1'0 Cn Amp. Las baterías más pequeñas que escogemos tienen capacidades de 0,3 CnAh, 0,5 Cn Ah y 0,7 Cn Ah, Si ahora se aplica la misma descarga I a la batería W, el voltaje respuesta, comienza a generar una curva que resulta ser la 0'4 Cn Ah., que es la correspondiente a la batería equivalente A.
En la Figura 2, se representa un diagrama simplificado que muestra el flujo de acciones para encontrar ED, conocidos los datos que definen la batería W. Este diagrama no está completo en aras de la claridad de la exposición. Por ejemplo, ios pasos que se aplican a V1 preguntando sobre la estabilidad, contador de ciclos etc., se han ahorrado en V2 y V3. Conocer C1, C2 o C3 significa conocer A1, A2 o A3, y por lo tanto ED.
En la Figura 3 se representa un diagrama simplificado que sigue el proceso automatizado del método que se patenta aplicado a un dispositivo, es decir de la Aplicación Preferente.
En la Figura 4 se dibuja un ejemplo de unas tablas logarítmicas a 25 °C y de un voltaje V que informan de la autonomía, en función de la ID y de la capacidad de las baterías SLA-AGM, En este caso escogemos 0,3 Cn Ah, 0,5 CnAh, 0,7 Cn Ah y Cn Ah,
En la Figura 5 se dibujan las curvas LM, LD, y LW que permiten hallar la vida esperada tW y la vida remanente tR de W.
Realización Preferente
El objetivo es fabricar un dispositivo que automatice el método expuesto para hallar la ED de una batería W. Se sigue el diagrama de flujo simplificado según Figura 3. Puede ser portátil o no, y con capacidad de ajuste en función de las características de las distintas baterías que se deseen analizar en determinados rangos de voltajes o capacidades. O bien adaptarse desde un inicio a una batería particular. Se precisa un Sistema que comprenda un interfaz, un adaptador, un descargador, sensor de temperatura, voltímetro, amperímetro, cronómetro, una MCU y el software necesario para registrar, memorizar y analizar las curvas que produzca el descargador y compararlas con las que tenga en memoria mediante los algoritmos que se proporcionen, etc. Este software controlará el dispositivo, así como las comunicaciones con equipos externos. Está habilitado para la tecnología y Norma que el fabricante de la batería especifique y se simplifica mucho sí se prepara para una batería concreta. De esta forma su utilización comprende los siguientes pasos:
A) El fabricante informa en primer lugar de la tecnología de la batería, así como su capacidad CN, SU voltaje nominal VN, curvas, etc. cuando era nueva B.
B) Se Introducen en el Sistema todos los datos a través de la interfaz. Una vez conectada la batería W, comienza el análisis. Existen baterías que al conectarlas transmiten al Sistema todas sus características. Pero no hará falta cuando se realice la aplicación a una batería concreta, como ocurre con un EV o en un teléfono móvil.
C) El amperímetro comprueba si la batería está en reposo. Inicialmente se considera que si.
D)EI sensor suministra la temperatura a la que está la batería, Tn. Con dicha temperatura y la curva correspondiente residente en la memoria que relaciona ¡as capacidades y las temperaturas, el Sistema concreta la capacidad Cn, que es la que corresponde a B, y que es la mejor aproximación que disponemos en el primer análisis.
E) El Sistema, siguiendo las instrucciones que tiene memorízadas escoge la intensidad de descarga inicial h. Esta descarga puede alimentar un super condensador y utilizar la energía acumulada posteriormente.
F) Una vez que el Sistema obtiene un voltaje de respuesta estable V1, busca en Gn,l1, interpolando si es preciso, la curva que comience con el voltaje que acaba de medir. Esta curva es la misma que produce la descarga de una batería equivalente nueva A1, cargada, y con una capacidad de C1.
G) Con la ED conocida, el Sistema puede optar por mostrarla en un interfaz, o suministrarla a otro equipo que la precise, lo que se integra con gran sencillez en el dispositivo que ya tenemos. Supóngase ahora que el amperímetro del Sistema detecta que existe una descarga continua y estable. Si la descarga no tuviera dichas condiciones se deben medir valores instantáneos y simultáneos. El amperímetro facilita al Sistema el consumo que se está realizando l2, el voltímetro el voltaje V2, el sensor la temperatura de la batería W, Tn, y se calcula Cn. A continuación, siguen las etapas que se exponen.
1) Busca en Gn, l2, obtenida con l2 amperios y a la temperatura Tn, la curva de descarga correspondiente a V2,. Como anteriormente, obtiene la que corresponde a una batería equivalente A2, de capacidad C2 nueva y cargada.
2) El Sistema añade ahora una descarga adicional l1, calculada como anteriormente para el caso en que la batería estuviese en reposo, y repite el proceso anterior, teniendo en cuenta que debe buscar en Gn,l3, ya que la intensidad de descarga es l3 = l1+ l2. Obtiene C3, Si advirtiera que l2 es igual o superior a l1, disminuirá el primer sumando lo que proceda. Incluso anulándolo, y dando por buena C2.
En teoría C3 debiera ser similar a C2. No obstante, y dado que la batería no está en reposo, ni equilibrada, las mediciones pueden estar alteradas. Probablemente es más exacta la capacidad hallada en último lugar C3, pero es razonable calcular una ponderación dando el peso a cada una según lo que la aplicación concreta aconseje. También pueden hacerse mediciones iterativas consecutivas adicionales cambiando la descarga etc. Después de este cálculo, se conoce la ED, a la temperatura de medición, es decir la batería equivalente A3.
Corno utilidad o aplicación, conocido el BEC, se puede hallar sencilla y rápidamente la autonomía de la misma forma ya explicada. Esta rapidez permite que una vez aplicado el BEC, si la autonomía resultante es inadecuada por insuficiente, se puedan realizar búsquedas adicionales de nuevas autonomías.
Para lo que debemos modificar el BEC, eliminando o rebajando las demandas susceptibles de reducción. O aceptar las que el dispositivo proponga. Poniendo un E¥ como ejemplo, se puede disminuir la velocidad de crucero. O el equipo proponer una nueva, o un combinado de varias en función de! perfil de la carretera, y las temperaturas esperadas en los distintos tramos que permitan la autonomía requerida. Es fácil Incorporarlo a la conducción autónoma.
Otra aplicación consiste en hallar la capacidad de la batería. Si finalizada una carga e! Sistema detecta que el cargador no suministra intensidad alguna o es muy pequeña, desconecta dicho cargador y procede a calcular ED, En tales condiciones la ED encontrada coincide con la capacidad de la batería.
En e! caso de la bancada de un SAI permite conocer rápidamente la ED. Como es un equipo que suele estar perfectamente cargado, desconectando unos segundos el cargador y las cargas (e incluso sin desconectarlas si no fuera posible), dicho ED resulta coincidir con la capacidad remanente. Convendría un cierto reposo previo, pero ¡a distorsión es siempre la misma, y se puede considerar.
En otra aplicación, el Sistema guarda en la memoria las capacidades encontradas a lo largo de un período de tiempo, genera una curva y la extrapola, considerando su base de datos donde están LM y LD, y conociendo el trato previsible, permite obtener la vida esperada tW y la remanente tR. En la Figura 5, hemos considerado que el trato será similar al anteriormente recibido.
Adicionalmente a las ventajas ya expuestas, la rápida respuesta de este dispositivo permite una utilización más eficiente de la energía de las baterías, as! como un mantenimiento más correcto, e incluso localizar prematuramente cualquier anomalía. O igualar las células de un pack en fabricación. Todo ello supone optimizar las prestaciones y la vida de la batería con el correspondiente ahorro de costes.
En este caso, la Realización Preferente coincide con ¡a Aplicación Industrial.

Claims

REIVINDICACIONES
1) Un método para calcular la energía disponible, ED, en una batería eléctrica W en cualquier momento de su vida sin descargaría, así como su autonomía, capacidad y vida remanente. Para lo que se necesita, al menos, la siguiente información y aparataje. a) Conocimiento de todos los parámetros y curvas que definen la batería usada W cuando era nueva B, como asimismo de varias baterías nuevas de menor capacidad, a la temperatura de trabajo Tn, para poder calcular las curvas Gn,l. b) Un descargador, voltímetro, amperímetro, sensor de temperatura, y un cargador que pueda desconectarse.
A continuación, la invención se caracteriza por comprender la obtención de las curvas de descarga Gn,l. Dada una batería nueva B con capacidad Cn, voltaje VN y a temperatura Tn, se llama así a una familia de curvas producidas por una mismaID fija I, aplicada a B y a varias baterías nuevas de diferentes capacidades inferiores, todas a igual temperatura.
Para aplicar el método se realizan las conexiones necesarias, pudiendo darse dos situaciones que detectará el amperímetro:
I) Que la batería se encuentre en reposo, aislada, sin carga ni descarga alguna.
II) Que exista una descarga que no se pueda o no se desee evitar.
Primer caso. Se realiza a W una descarga h que produce un voltaje respuesta Vi. Yendo a la familia de curvas Gn,l. encontramos la capacidad Ci, correspondiente a una batería equivalente A. La ED de A es idéntica a la ED de ¥V,
Segundo caso. Si laID existente es l2 y el voltaje V2 se busca en Gn,l2 y se obtiene C2. A continuación se superpone una descarga adicional h, ya calculada, quedando l3= l1+ l2, lo que produce un voltaje respuesta V3, y con él se busca en Gn,l3 la capacidad C3, que ponderando con C2 proporciona la ED,
2) Un método para calcular ia energía disponible ED según la reivindicación 1, caracterizado por comprender la obtención de las curvas de descarga Gn,l como sigue. Dada una batería nueva B con capacidad Cn, voltaje y a temperatura Tn, se llama así a una familia de curvas producidas por una mismaID fija 1, aplicada a B y a varias balerías nuevas y cargadas de diferentes capacidades inferiores a B, todas a igual temperatura.
3) Un método para calcular la energía disponible ED según ¡a reivindicación 1, caracterizado por obtener la autonomía, comprendiendo el conocimiento de ED y la utilización del BEC, estático o dinámico.
4) Un método para calcular la energía disponible ED según la reivindicación 1, caracterizado por la obtención de la capacidad de la batería W. Para ello se utiliza un aparataje que comprenda un amperímetro y un cargador. Guando se detecte que la intensidad que se facilita a W al recargarse es muy pequeña o nula, se desconecta el cargador y, se calcula en ese momento la ED que resulta ser ¡a capacidad.
5) Un método para calcular la energía disponible ED según la reivindicación 4, caracterizado por hallar la vida remanente tR de una batería W, en un determinado momento P (tp, CR), lo que comprende conocer el trato previsto y la interpolación entre las curvas LM y LD, hasta que la ordenada alcanza la capacidad operativa Cm, con lo que se obtiene la vida esperada tW. A dicho valor se le resta el tiempo de servicio en el momento del cálculo tp, lo que proporciona la vida remanente tR.
6) Un Sistema que automatiza el método desarrollado en las reivindicaciones anteriores para calcular la energía disponible ED de cualquier batería eléctrica W, en todo momento de su vida, sin descargarla, asi como su autonomía, capacidad y vida remanente, caracterizado por comprender interfaces, un descargador, sensor térmico, voltímetro, amperímetro, cronómetro, una ftflCU con el software necesario para registrar, memorízar, y analizar las curvas que produzca el descargador y compararlas con las que existan en la memoria facilitadas por el fabricante o calculadas previamente, así como todos los datos precisos, algoritmos, y controlar las comunicaciones con equipos externos, etc.
El Sistema comprueba si la batería W está en reposo o no. Si lo está, verifica la temperatura Tn, escoge la descarga, encuentra en Gn,l la batería equivalente A y con ella la ED. Si no está en reposo se halla en primer lugar, y siempre con la ayuda de las curvas Gn,l, la ED correspondiente a la descarga detectada, A continuación, se superpone otra intensidad de descarga, y con la suma de ambas se vuelve a calcular la ED, ponderando entre ambas.
7) Un Sistema que automatiza el método según la reivindicación 6, caracterizado por hallar la autonomía remanente, lo que comprende conocer ED y el BEC. El BEC puede ser dinámico y la temperatura ir cambiando, lo que implica nuevos valores de ED, considerándose también la incorporación de datos tanto a través del interfaz, así como por cualquier via telemática.
8) Un Sistema que automatiza el método según la reivindicación 6, caracterizado por obtener la capacidad de W. El Sistema comprende un cargador y un amperímetro. Al final de la recarga de W, cuando el amperímetro detecta que la intensidad que recibe es nula o muy pequeña, el software del Sistema procede a desconectar el cargador y a bailar ED, valor que coincide con la capacidad de W en ese momento y a esa temperatura.
9) Un Sistema que automatiza el método según la reivindicación 8 caracterizado por obtener la vida remanente tR de una batería W en cualquier momento tP, para lo que el Sistema genera la curva Lw con las capacidades en función del tiempo hasta tp. Conocido el trato previsto a W, el Sistema interpola Lw entre LM y LD y extrapola hasta y = Cm, consiguiendo la vida esperada tW, a la que se resta tp para obtener tR.
10) Un Sistema que automatiza el método según la reivindicación 6, caracterizado por comprender un software que memoriza y utiliza todos los datos que facilita el fabricante, comprendiendo los específicos de las distintas baterías, curvas de descarga a diferentes temperaturas, la que relaciona capacidad y temperatura, controlando todo el hardware incluido en el Sistema, lo que comprende leer, registrar y utilizar las bases de datos que se proporcionen, comunicarse con los interfaces, y con cualquier equipo ajeno al Sistema, incluyendo los datos dinámicos que le informen por cualquier vía telemática, etc.
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