ES2648095T3 - Monitorización de la carga almacenada en una batería - Google Patents

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Abstract

Un método (10) para monitorear una carga de batería, comprendiendo el método: -obtener (12) un valor de medida de corriente de batería (IL) y un valor de medida de voltaje de batería (VL), - aplicar (14) un método de integración de corriente para actualizar un valor estimado de carga primario representativo de la carga 5 almacenada en la batería teniendo en cuenta el valor de medida de corriente de batería (IL), - determinar (16) un valor estimado de carga auxiliar representativo de la carga almacenada en la batería utilizando un modelo de batería que tiene en cuenta la medida de voltaje de batería (VL), - determinar (18) un valor de error para dicho valor estimado de carga auxiliar, expresando dicho error la fiabilidad de dicho modelo de batería que tiene en cuenta el valor de medida de voltaje (VL), - aplicar (20) una corrección al valor estimado de carga primario como una función del valor estimado de carga auxiliar y el valor de error, y caracterizado por - determinar (22) un error sistemático del valor de medida de corriente de batería (IL) tendiendo en cuenta dicha corrección del valor estimado de carga primario.

Description

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una función del valor estimado de carga auxiliar y el valor de error. La aplicación 20 de la corrección puede comprender aplicar 21 una etapa de actualización del método de estimación cuadrática lineal, tal como el Filtro de Kalman descrito anteriormente, por ejemplo, aplicar 20 la corrección puede comprender una actualización del método de estimación cuadrática tal como una actualización Kalman correspondiente a la etapa de predicción del método de estimación cuadrática lineal tal como la etapa de predicción Kalman 15, por ejemplo, para actualizar el valor estimado de carga primario Qk. El método de estimación cuadrática lineal, tal como el Filtro Kalman, puede comprender de este modo una variable de observación acorde con el valor estimado de carga auxiliar Zk, que tiene una varianza asociada R acorde con dicho valor de error.
Esta corrección del método de estimación cuadrática lineal tal como la corrección de Kalman puede ser determinada mediante la aplicación del valor estimado de carga auxiliar zk de la batería como una variable de observación, tal como una variable de observación Kalman. Por ejemplo, después de la notación introducida anteriormente en la etapa de predicción 15, por ejemplo, la etapa de predicción de Kalman 15, esta aplicación 21 de una corrección tal imagen7
como una corrección Kalman puede ser formulada como , en el que la matriz de observación Hk expresa la relación entre el valor estimado de carga auxiliar zk de la batería, por ejemplo un SOC, y el valor estimado de carga primario Qk, y Kk expresa una ganancia tal como la ganancia Kalman. Particularmente, dado que xk y zk han sido reducidos a escalares, Hk puede ser un valor de escalado escalar que tenga en cuenta la capacidad total de la batería, por ejemplo, la capacidad de carga de la batería cuando esté totalmente cargada. Hk está designado como la función de transferencia desde la carga [C] a SOC [%].
La etapa de aplicar 21 la actualización del método de estimación cuadrática lineal como la actualización Kalman puede comprender calcular una ganancia, tal que la ganancia Kalman Kk tenga en cuenta el valor de error, determinado 18 para el valor estimado de carga auxiliar zk, por ejemplo, este valor de error determina una varianza R tal como la varianza de Kalman R para la variable observada zk. En las realizaciones de la presente invención, la ganancia puede ser calculada de manera diferente incluso cuando la ganancia puede ser constante.
En las realizaciones de la presente invención, la varianza de variable observable R tal como la varianza de variable observada de Kalman R puede estar expresada como el error estimado con relación al valor de estado de carga de la batería (SOC) hecho para un valor dado para EMF que es derivado del voltaje de célula medido utilizando las expresiones anteriores. De este modo, la varianza R puede ser determinada como una función del valor estimado de carga auxiliar zk de la batería utilizando un modelo de batería que tiene en cuenta el valor de medida de voltaje de batería VL y el valor de medida de corriente de batería IL. A esta varianza R puede, por ejemplo, se le puede asignar un valor elevado cuando la curva de EMF en función de SOC sea plana, por ejemplo, un valor del 20%, y se le puede asignar un valor bajo próximo a la batería llena y/o vacía, por ejemplo un valor de 1%. Además, en los casos en los que la relajación de la batería sea difícil de modelizar, la varianza R puede ser determinada como una función de la medida de corriente de batería IL.
El método de estimación cuadrática lineal descrito anteriormente, tal como el filtro Kalman descrito anteriormente, puede ser considerado como un filtro de primer orden en el valor estimado de carga Q, con una constante de tiempo de 1/(Kk.Hk). Kk expresa una función de transferencia desde el valor estimado de carga, por ejemplo, medido en Coulomb, hasta el estadio de carga relativo, por ejemplo SOC expresado como porcentaje, de manera que puede ser considerado circunstancialmente constante, por ejemplo, puede preferiblemente cambiar solo significativamente sobre muchos ciclos de carga-descarga de la batería. Esta constante de tiempo del método de estimación cuadrática lineal tal como el filtro Kalman puede además depender de la varianza S de error del sensor de corriente utilizado. Esta varianza S del error medido puede por ejemplo ser derivado de la hoja de datos del sensor de corriente multiplicando el error relativo del sensor por la escala total del sensor y por el intervalo de muestreo, por ejemplo 0,5% x 100A x 0,5 seg.
La precisión de estimación más elevada es preferiblemente conseguida cuando la batería está o bien casi llena o bien casi vacía. Para ilustrar el rendimiento de un método de acuerdo con las realizaciones de la presente invención, se ha de observar que estas áreas operacionales pueden implicar un valor bajo para la varianza R. Por ejemplo, asumiendo un valor medio para el estado de carga relativo (SOC) del 97%, una batería de 12 Ah, S = 0,25 As, R = 3%, H = 0,0022, entonces 1/KH converge a 1560 ciclos, o 780 s para un régimen de muestra de 2 Hz.
Para un estado cargado casi lleno, la varianza sería típicamente pequeña, dado que el voltaje de batería elevado medido se puede estimar para implicar un error de estimación pequeño del estado de carga relativo. Sin embargo, una constante de tiempo intermedia puede ser deseable para permitir la compensación para incertidumbres inducidas por la relajación. Haciendo de nuevo referencia a la Fig. 2, un circuito Cp-Rp puede estar incluido en el modelo de batería con una constante de tiempo adecuada para proporcionar tal constante de tiempo intermedia inferior. La constante de tiempo para esta parte del circuito se puede elegir de tal manera que complemente las correcciones del método de estimación cuadrática lineal, tal como las correcciones Kalman, por ejemplo en el rango de 10% a 30% de la constante de tiempo tal como la constante de tiempo Kalman descrita anteriormente, por ejemplo la constante de tiempo de 150 segundos para el ejemplo dado anteriormente,
Además, el método 10 puede comprender la etapa de determinar 22 un error sistemático de la medida de corriente de batería, por ejemplo la compensación de medida de corriente de batería, que puede corresponder a un error de compensación del amperímetro o sensor de corriente utilizado para medir la corriente de batería IL. Por ejemplo, el
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término corrección, tal como el término corrección de Kalman
imagen8puede formar una entrada para la retroalimentación de número entero proporcional (PI) a un valor de compensación de corriente, por ejemplo como se muestra en la Fig. 3. En este ejemplo, el término corrección tal como corrección de Kalman es introducido en un filtro de PI, lo que da lugar a un valor corrector, que se puede aplicar, por ejemplo ser puede añadir a una lectura de sensor de corriente para corregir la compensación del valor de medida de sensor de corriente IL. El factor de proporcionalidad P puede ser elegido para corresponderse con un marco de tiempo de varias horas, por ejemplo 1/10000 ciclos = 1/5000 s para una velocidad de muestreo de 2 Hz.
Además, el método 10 como se ilustra en forma de diafragma en la Fig. 1, puede comprender la etapa de determinar 24 una capacidad de carga total de la batería teniendo en cuenta la corrección del valor estimado de carga primario. Por ejemplo, si la capacidad de carga total supuesta de la batería no es correcta, por ejemplo, si es mayor o menor que la capacidad real, cada vez que la batería se llena o se vacía, la corrección del valor estimado de carga primario será en una dirección que indica o bien una sobre-estimación y bien una infra-estimación de la capacidad real. Por lo tanto, una retroalimentación proporcional a un número entero (PI) se puede utilizar para actualizar la estimación de capacidad total tomando la corrección, por ejemplo el término de corrección Kalman, como dato de entrada.
Por ejemplo, la corrección, por ejemplo el término de corrección de Kalman puede ser introducido en una entrada de PI, mientras quien la salida de PI se adapta a una estimación de capacidad total, por ejemplo, para obtener unan estimación de capacidad total actualizada. Esta corrección puede ser solo relevante cuando la batería esté totalmente llena o casi vacía, por ejemplo, la corrección solo se puede realizar cuando el SOC estimado sea, por ejemplo, mayor que el 97% o, por ejemplo, menor que el 5%. Si la estimación de capacidad es correcta, los valores de término de corrección tales como los valores de términos de corrección Kalman estarán distribuidos normalmente alrededor de cero, de manera que la salida del PI sea cero. Alternativamente, la salida del PI puede ser añadida solo una vez por ciclo de batería a la estimación de capacidad total, por ejemplo, cuando el SOC cae por debajo del 97%.
En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un dispositivo para monitorear la carga de una batería. Haciendo referencia a la Fig. 4, se muestra un dispositivo de acuerdo con las realizaciones de la presente invención. El dispositivo 30 monitorea la carga de una batería 31, por ejemplo, una batería conectada a una carga 35, por ejemplo una carga 35 que comprende un sistema de bus de potencia para alimentar un vehículo eléctrico o híbrido, El dispositivo 30 comprende un sensor de corriente, por ejemplo una amperímetro 32, para proporcionar una medida de corriente de batería, por ejemplo, para medir la corriente que llega desde o que va a la batería; un sensor de voltaje, por ejemplo, un voltímetro 33, para proporcionar una medida de voltaje de batería, por ejemplo para medir el potencial eléctrico sobre los polos de la batería; y una unidad de procesamiento 34. Además, el dispositivo también puede comprender al menos otro tipo de sensor, tal como un sensor de temperatura.
La unidad de procesamiento 34 está adaptada para aplicar un método de integración de corriente para actualizar un valor estimado de carga primario representativo de la carga almacenada en la batería teniendo en cuenta el valor de medida de corriente de materia y para determinar una valor estimado de carga auxiliar representativo de la carga almacenada en la batería utilizado un modelo de batería que tiene en cuenta el valor de medida de voltaje de batería. La unidad de procesamiento 34 está además adaptada para determinar un valor de error para el valor estimado de carga auxiliar, en el que el valor de error expresa la fiabilidad, por ejemplo, la precisión, del modelo de batería teniendo en cuenta el valor de medida de voltaje de batería. La unidad de procesamiento 34 está también adaptada para aplicar una corrección al valor estimado de carga primario como una función del valor estimado de carga auxiliar y el valor de error.
Particularmente, la unidad de procesamiento 34 puede estar adaptada para realizar las etapas de un método de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, por ejemplo, las etapas de aplicar 14 integración de corriente, determinar 16 una estimación de carga auxiliar, determinar 18 un valor de error y/o aplicar 20 una corrección al valor estimado de carga primario, como se ha descrito anteriormente.
Los aspectos de la presente invención también se refieren al uso de un dispositivo de acuerdo con las realizaciones del segundo aspecto de la presente invención para monitorear la carga almacenada en una batería para la alimentación de un vehículo eléctrico o hibrido, o para almacenar energía para unidades de respaldo de energía eléctrica.
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