ES2326520T3 - Sistema de determinacion del estado de carga y de la tension de una bateria de almacenamiento de energia electrica, especialmente para vehiculo automovil. - Google Patents
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Abstract
Sistema de determinación del estado de carga y de la tensión de una batería de almacenamiento de energía eléctrica para vehículo automóvil, que comprende: - primeros medios de cálculo (2) del estado de carga que reciben en la entrada informaciones del estado de carga inicial, de la capacidad nominal y de la corriente en la batería, para determinar un estado de carga final; y - segundos medios de cálculo (3) de la tensión que reciben en la entrada, informaciones del estado de carga final, de la corriente de la batería y de la temperatura de ésta, para determinar la tensión correspondiente, caracterizado porque los segundos medios de cálculo comprenden: - medios de estimación (4) de la tensión en vacío de la batería Evacío; - medios de cálculo (5) de una tensión Rint.Ibat correspondiente a la resistencia interna equivalente de la batería; - medios de cálculo (6) a partir de una función exponencial de un desvío de la tensión correctivo Delta U; y - medios de combinación (7) de estos tres valores Evacío, RintIbat, Delta U para facilitar la tensión de la batería.
Description
Sistema de determinación del estado de carga y
de la tensión de una batería de almacenamiento de energía eléctrica,
especialmente para vehículo automóvil.
La presente invención se refiere a un sistema de
determinación del estado de carga y de la tensión de una batería de
almacenamiento de energía eléctrica, especialmente para vehículo
automóvil.
En particular, la invención es aplicable a
baterías de tipo plomo/ácido de 12 V o 36 V.
En el funcionamiento de una batería de este tipo
influyen un gran número de parámetros, siendo algunos de estos
parámetros controlables, otros no.
Por diferentes razones, puede ser interesante
determinar el estado de carga y la tensión de una batería de este
tipo.
En el estado de la técnica, esto se realiza
acumulando las corrientes de descarga y de carga de la batería en
el tiempo, pero se concibe que tales procedimientos presenten un
cierto número de limitaciones y de imprecisiones.
El documento US 6.285.163 describe un sistema de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y que presenta
igualmente este tipo de problemas.
Así pues, el objeto de la invención es resolver
estos problemas.
A tal efecto, la invención tiene por objeto un
sistema de determinación del estado de carga y de la tensión de una
batería de almacenamiento de energía eléctrica, especialmente para
vehículo automóvil, de acuerdo con la reivindicación 1.
La invención se comprenderá mejor con la lectura
de la descripción que sigue, dada únicamente a título de ejemplo y
hecha refiriéndose a los dibujos anejos, en los cuales:
- la Fig 1 ilustra de modo esquemático un
sistema de determinación de acuerdo con la invención;
- la Fig 2 representa un esquema sinóptico de
primeros medios de cálculo del estado de carga que entran en la
constitución de un sistema de este tipo;
- la Fig 3 representa un esquema sinóptico de
segundos medios de cálculo de la tensión que entran en la
constitución de un sistema de este tipo; y
- las Figs 4 a 13 ilustran diferentes curvas que
muestran los resultados obtenidos.
En la figura 1, en efecto, se ha ilustrado de
modo esquemático, un sistema de determinación del estado de carga y
de la tensión de una batería de almacenamiento de energía eléctrica,
especialmente para vehículo automóvil, que debe ser situado en el
contexto de la red eléctrica de a bordo de este vehículo.
Este sistema está designado por la referencia
general 1 en esta figura y recibe en la entrada una información de
corriente de la batería I_BAT, una información de estado de carga
inicial de la batería SOC_init, y una información de temperatura de
la batería TEMP y facilita en la salida una información de la
tensión de la batería U_BAT y una información del estado de carga
final SOC_FINAL.
Así pues, este sistema debe ser capaz de evaluar
la tensión en los bornes de la batería en diferentes condiciones de
temperatura y de estado de carga, pero, igualmente, de ofrecer un
comportamiento realista a la vista de las solicitaciones de
corriente de la batería.
Sin embargo, es inútil afinar el establecimiento
de un modelo del funcionamiento de la batería a nivel electroquímico
para la utilización deseada.
A tal efecto, el modelo elegido es a la vez
físico y conductista:
- Físico, en el sentido en que el modelo de la
batería se obtiene por medio de una ecuación eléctrica equivalente
constituida por tres términos:
U =
[E\pmRI\pmDU]
donde E representa la fuerza
electromotriz en vacío, R la resistencia interna equivalente de la
batería vista por la red, I la corriente que atraviesa la batería,
siendo una corriente saliente si I<0 y una corriente entrante en
ésta si I>0 y DU una función no lineal de determinación de un
desvío de tensión correctivo, que puede presentarse, por ejemplo,
en forma de una función exponencial. Estos tres términos dependen
entonces de la temperatura, del estado de carga y de la corriente
de la batería;
y
- Conductista, en el sentido en que las
variaciones de la resistencia interna están cartografiadas a partir
de diferentes pruebas disponibles para cata tipo de baterías, que,
de hecho, corresponden a los datos de los proveedores.
Sin embargo, la dificultad reside en el hecho de
obtener un modelo de batería con una precisión de 50 mV, válido
para todas las baterías consideradas y en particular las baterías de
ácido/plomo de 12 V o 36 V, en las zonas de funcionamiento
siguientes:
- Estado de carga variando del 40% al 100%
(correspondiendo el 100% a una batería totalmente cargada);
- Franja de temperatura yendo de -30ºC hasta
50ºC;
- Franja de corriente de carga y/o de descarga
yendo de 0 a 200 amperios; y
- Tensión de funcionamiento variando de 6 V a 16
V.
Comparaciones entre las tensiones resultantes de
la determinación y mediciones de la tensión de la batería
realizadas en banco permiten verificar la precisión del sistema.
Se concibe, entonces, que los datos utilizados a
lo largo de la presente descripción sean los datos de la batería,
siendo estos datos valores obtenidos de pruebas o de mediciones en
diferentes baterías para diferentes condiciones de
funcionamiento.
Así pues, a partir de los conocimientos sobre
las baterías, por ejemplo de plomo/ácido, y de los datos de la
batería, ha sido posible desarrollar un sistema que responde a los
objetivos descritos anteriormente.
Los datos de la batería se refieren a tres tipos
de funcionamiento, a saber, un funcionamiento con la batería en
circuito abierto, un funcionamiento con la batería en carga y un
funcionamiento con la batería en descarga.
Las características son las siguientes:
- las tensiones en vacío en función del estado
de carga y de la temperatura de la batería;
- las corrientes de aceptación de carga, es
decir, la corriente absorbida por la batería en función de la
tensión de carga, del estado de carga y de la temperatura del
electrolito de la batería, y
- las tensiones de descarga en función de la
corriente de descarga impuesta, del estado de carga y de la
temperatura de la batería.
En una batería de 12 V, puede estimarse que una
variación del 5% del estado de carga de la batería provoca un
desvío de 50 mV con respecto al valor de la tensión en vacío.
En lo que concierne a la influencia de la
temperatura, una variación de 10ºC provoca un desvío de 8 mV con
respecto al valor de la tensión en vacío.
Si se quieren respetar las causalidades de la
red eléctrica de a bordo del vehículo, a saber, que el alternador
sea equivalente a una fuente de corriente y la batería a una fuente
de tensión, el modelo de la batería debe ser construido de manera
que se tenga en la salida la tensión de la batería.
Como se ha indicado anteriormente, este modelo
de batería tiene como entrada la corriente de carga o de descarga
así como el estado de carga inicial y la temperatura del electrolito
de la batería. Las salidas son la tensión en los bornes de la
batería y el nuevo estado de carga.
Siendo el comportamiento de una batería
diferente en carga y en descarga, se procede, por tanto, en dos
etapas de establecimiento de modelo.
En efecto, el rendimiento de la batería es
diferente en carga y en descarga.
El rendimiento es igual a 1 para la descarga y
puede ser inferior a 1 para la carga en función del estado de carga
y de la temperatura.
En descarga, los datos de la batería
correspondientes se obtienen para corrientes de descarga constantes.
La información de corriente de la batería es una magnitud de
entrada del modelo. Los datos de la batería pueden utilizarse, por
tanto, sin modificación.
En descarga, se introduce la noción de
seudoparámetro. La seudotensión en vacío corresponde a la
intersección entre la tangente a la característica en descarga y el
eje de ordenadas.
\newpage
La seudorresistencia interna se identifica como
la pendiente de la tangente a la característica en descarga para
corrientes altas.
Durante una primera etapa, en la tensión en los
bornes de la batería, se eliminan los términos Eseudo y
Rseudo*I, para obtener una delta de tensión (correspondiendo Eseudo y Rseudo a los parámetros de la batería citados anteriormente).
Rseudo*I, para obtener una delta de tensión (correspondiendo Eseudo y Rseudo a los parámetros de la batería citados anteriormente).
Para establecer un modelo de la delta de tensión
restante, se elige una ley matemática que hace intervenir una forma
exponencial, como se explicó anteriormente.
Los dos parámetros de esta ley no lineal son
dependientes de la temperatura, del estado de carga de la batería y
de la corriente de descarga impuesta a la batería.
Así, esta relación puede establecerse del modo
siguiente:
\DeltaU = A (\theta, SOC)
e^{-E \ (\theta, \ SOC) \ I \
BAT}
Utilizando los datos estadísticos en descarga,
pueden identificarse los parámetros del modelo en descarga. Una vez
fijada la ecuación e identificados los parámetros, se obtiene un
modelo de batería en descarga.
En el caso del funcionamiento en carga, la
batería es sometida a una tensión constante y la información de
corriente de aceptación de carga es, por tanto, un dato de
salida.
Los datos de la batería son reunidos en forma de
tablas que informan, para una temperatura dada, la corriente de
aceptación de carga (Iacc) en función del estado de carga de la
batería y de la tensión de carga impuesta (Ubat).
Con el fin de tomar en consideración los
problemas de las causalidades, es necesario transformar estos datos
de modo que se obtenga una información de la tensión a la salida de
la batería.
Durante una primera etapa y contrariamente al
funcionamiento en descarga, en la tensión en los bornes de la
batería, se elimina la tensión en vacío de ésta. Esta tensión en
vacío es una característica de la batería y depende del estado de
carga de la batería y de la temperatura real de ésta.
Las deltas de tensión obtenidas son función de
la temperatura de la batería, del estado de carga y de la corriente
de aceptación de carga de ésta.
El análisis de estas deltas de tensión permite
adaptar la ley matemática utilizada en descarga.
Los dos parámetros del término no lineal
dependen de la temperatura, del estado de carga de la batería y de
la corriente de carga de la batería.
Contrariamente al modelo en descarga, el término
resistivo es identificado al mismo tiempo que los dos parámetros
del término no lineal del modelo.
Utilizando los datos estadísticos en carga,
eventualmente retransformados, se pueden identificar los parámetros
del modelo en carga.
Una vez fijada la ecuación e identificados los
parámetros, se obtiene un modelo de batería en carga.
Esto está ilustrado, por ejemplo, en la figura 2
y la figura 3.
En efecto, en la figura 2 puede constatarse que
el sistema de determinación de acuerdo con la invención comprende
primeros medios de cálculo de un estado de carga final designados
por la referencia general 2, que recibe en la entrada informaciones
del estado de carga inicial SOC_Init, de la capacidad nominal de la
batería CAPA_Nom y de la corriente en la batería I_BAT.
Esto permite entonces a estos medios determinar
el estado de carga final SOC_FINAL.
Esta información de estado de carga final es
introducida en segundos medios de cálculo de la tensión que, por
tanto, reciben en la entrada esta información del estado de carga
final, de la corriente en la batería I_BAT y de la temperatura TEMP
de ésta para determinar una tensión correspondiente U_BAT.
Estos medios están designados por la referencia
general 3 en esta figura.
De hecho y como está ilustrado en la figura 3,
estos segundos medios de cálculo 3 comprenden medios de estimación
de la tensión en vacío de la batería, designados por la referencia
general 4, a partir del estado de carga SOC, de la corriente en la
batería I_BAT y de la temperatura TEMP, medios de cálculo de la
tensión correspondiente a la resistencia interna equivalente de la
batería designados por la referencia general 5, que reciben en la
entrada las mismas informaciones que los medios de estimación de la
tensión en vacío y medios de cálculo a partir de una función no
lineal de un desvío de tensión correctivo, estando designados estos
medios por la referencia general 6 y recibiendo en la entrada las
mismas informaciones que las descritas anteriormente.
Estos diferentes medios 4, 5, 6 facilitan
entonces una información de fuerza electromotriz en vacío, de la
tensión correspondiente a la resistencia interna equivalente de la
batería y del desvío de tensión correctivo, a medios 7 de
combinación de estos tres valores para facilitar la tensión de la
batería U_BAT.
Las figuras 4 a 13 ilustran los resultados
obtenidos para algunos ejemplos de datos de batería en carga y en
descarga para una temperatura de 25ºC y para una batería de 60
Amperios hora.
Estas mismas características de batería han sido
utilizadas para diferentes temperaturas y para toda una gama de
baterías.
Numerosas simulaciones para diferentes
temperaturas y estados de carga y tipos de batería, han permitido
verificar que el sistema de acuerdo con la invención facilitaba
informaciones correctas y cumplía el objetivo que se había
fijado.
En efecto, el error cometido entre la
determinación a partir del modelo y la medición se mantiene inferior
a 50 mV cualesquiera que sean el tipo de batería, el estado de
carga inicial y la temperatura de ésta.
Estas figuras presentan, igualmente, algunas
comparaciones entre la tensión obtenida en simulación y la tensión
medida en la batería, teniendo la batería considerada una capacidad
de 60 Amperios hora, a una temperatura de 25ºC.
Estos resultados muestran, por tanto, la
precisión de la determinación gracias al sistema de acuerdo con la
invención.
Claims (2)
1. Sistema de determinación del estado de carga
y de la tensión de una batería de almacenamiento de energía
eléctrica para vehículo automóvil, que comprende:
- primeros medios de cálculo (2) del estado de
carga que reciben en la entrada informaciones del estado de carga
inicial, de la capacidad nominal y de la corriente en la batería,
para determinar un estado de carga final; y
- segundos medios de cálculo (3) de la tensión
que reciben en la entrada, informaciones del estado de carga final,
de la corriente de la batería y de la temperatura de ésta, para
determinar la tensión correspondiente, caracterizado porque
los segundos medios de cálculo comprenden:
- medios de estimación (4) de la tensión en
vacío de la batería Evacío;
- medios de cálculo (5) de una tensión Rint.Ibat
correspondiente a la resistencia interna equivalente de la
batería;
- medios de cálculo (6) a partir de una función
exponencial de un desvío de la tensión correctivo Delta U; y
- medios de combinación (7) de estos tres
valores Evacío, RintIbat, Delta U para facilitar la tensión de la
batería.
2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque la batería es una batería de
plomo/ácido.
Applications Claiming Priority (2)
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