ES2938688T3 - Método y sistema para monitorizar un estado de batería usando un gemelo de batería - Google Patents
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Abstract
La invención presenta un método para monitorear el estado de una batería sin interrupción del funcionamiento de un sistema de batería usando una batería gemela. Donde el sistema de batería comprende una pluralidad de celdas de batería conectadas entre sí, y donde el gemelo de batería comprende al menos una celda gemela de batería que es idéntica a al menos una de las celdas de batería del sistema de batería. El método comprende un paso de medir al menos un parámetro de al menos una celda de batería del sistema de batería, en el que dicho al menos un parámetro medido describe las condiciones de trabajo de al menos una celda de batería y/o todo el sistema de batería. Además, el método comprende una parte de medición fuera de línea, que comprende la reproducción de las condiciones de trabajo descritas con el al menos un parámetro medido en el gemelo de la batería. Debe hacerse de tal manera que el al menos un parámetro del gemelo de batería bajo las condiciones de trabajo reproducidas sea igual al al menos un parámetro medido de al menos una celda de batería del sistema de batería. Después de eso, mientras el gemelo de batería funciona en las condiciones de trabajo reproducidas, se mide al menos un parámetro más del gemelo de batería. Dichos parámetros adicionales del gemelo de batería se miden sin interrupción del funcionamiento del sistema de batería. Después de la parte de medición fuera de línea, el método comprende además un paso de emitir un juicio sobre el estado de la batería en base al al menos un parámetro adicional medido del gemelo de la batería. Tal juicio sobre el estado de la batería se puede hacer de al menos una celda de batería y/o del sistema de batería en su totalidad. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método y sistema para monitorizar un estado de batería usando un gemelo de batería
La presente invención se refiere en general a la gestión de baterías para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema de batería.
El uso de unidades de almacenamiento de energía electroquímica es cada vez más común y están sujetas a nuevos requisitos para aumentar el tiempo de actividad del suministro eléctrico para los equipos de energía. En algunos casos, los sistemas de batería o baterías sirven como la unidad de energía eléctrica principal que trabaja bajo carga eléctrica y en el accionamiento eléctrico del vehículo.
Además de usarlos como almacenamiento en redes inteligentes, coches eléctricos y cuadricópteros, se planea usar baterías en áreas de misión crítica. Por ejemplo, actualmente, las empresas están trabajando para permitir que los aviones de pasajeros vuelen con sistemas de propulsión eléctricos híbridos. A veces, las baterías funcionan en lugares remotos con acceso limitado del personal de servicio. Además, a los clientes finales les gusta tener baterías con bajos costes de mantenimiento. Por lo tanto, el conocimiento sobre el estado y la monitorización del estado de batería del sistema de batería, por ejemplo, por lo general sobre el estado de carga (SOC), la profundidad de descarga (DOD), el estado de salud (SOH), el estado de funcionamiento (SOF), etc., es crucial en este caso. Por lo tanto, existe una necesidad constante de diferentes métodos y medios para la monitorización continua de baterías para garantizar un funcionamiento ininterrumpido.
Uno de los indicadores importantes del estado de batería es el estado de salud (SOH), que es una figura de mérito de la condición de una batería (o una celda, o un paquete de batería/un sistema de batería), en comparación con sus condiciones originales. Las unidades de SOH son puntos porcentuales (100 % = las condiciones de la batería coinciden con las especificaciones de la batería). Por lo general, el SOH de una batería se inicializa al 100 % en el momento de la fabricación y disminuye con el tiempo y el uso.
Se pueden usar métodos en línea y fuera de línea para la estimación del SOH. Basándose en el conocimiento del SOH de una batería dada, es posible definir si las condiciones actuales de la batería la hacen adecuada para esa aplicación particular, y se puede realizar una estimación de la vida útil de la batería en esa aplicación.
Los métodos de monitorización de celdas de batería generalmente se clasifican en dos tipos: en línea y fuera de línea.
La técnica en línea se trata de la medición en línea de la tensión y la corriente de la celda de la batería en funcionamiento y/o del sistema de batería en funcionamiento para estimar los parámetros de la batería. Cabe señalar por separado que el número de parámetros del sistema de batería que se pueden medir mientras el sistema de batería está en funcionamiento está limitado, en la mayoría de los casos, a la tensión y a la corriente. Por lo general, las mediciones de tensión y de corriente se toman para todo el sistema de batería y/o para una celda de batería particular del sistema de batería y/o para un módulo de batería que es un paquete de varias celdas de batería. También está disponible la medición de los parámetros del entorno ambiental, por ejemplo, la temperatura ambiente, y la medición de la temperatura de la celda de batería particular del sistema de batería mientras el sistema de batería está en condiciones de funcionamiento.
La monitorización en línea del estado de la batería se realiza principalmente mediante modelado del circuito de la batería eléctrica y filtrado de Kalman. Sin embargo, todo tipo de técnicas en línea tienden a desviarse de los valores reales. Por ejemplo, los coeficientes de los filtros de Kalman deben adaptarse manualmente para cada tipo de batería. Simplemente no hay forma de automatizar este proceso en la actualidad. Por lo tanto, es poco probable que una solución de este tipo pueda funcionar de manera estable durante tres años o más sin interferencias.
Existen múltiples enfoques sobre cómo proporcionar celdas de batería de monitorización en línea en un sistema de batería y, por lo general, esta función se incluye en las funciones de los sistemas de gestión de baterías (BMS), que se usan para controlar el funcionamiento de los sistemas de batería. En general, el BMS realiza un conjunto de funciones, tal como proteger los sistemas de batería para que no operen fuera de su área de operación segura, monitorizar su estado, calcular datos secundarios, informar de esos datos, controlar su entorno, autentificar y también equilibrar.
Otra categoría de métodos de monitorización de baterías son los métodos fuera de línea. Las técnicas fuera de línea son mucho más precisas debido a mediciones directas de diferentes parámetros de cada celda de batería del sistema de batería y/o de todo el sistema de batería. Significativamente más parámetros están disponibles para la medición fuera de línea mientras el sistema de batería y/o la celda de batería del sistema de batería están fuera de funcionamiento.
La desventaja básica que tienen es que una o más celdas de batería del sistema de batería o todo el sistema de batería deben desconectarse durante algún tiempo. Es por eso por lo que este enfoque se usa en la mayoría de los casos, ya sea en estudios de laboratorio o durante trabajos de puesta en marcha.
Teniendo en cuenta todo lo mencionado anteriormente, se debe indicar que existe una necesidad obvia de monitorizar un estado de una batería de un sistema de batería que comprende una pluralidad de celdas de batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema de batería y proporcionar dicha monitorización del estado del sistema de batería con mayor precisión para lograr un nuevo nivel de eficiencia para el mantenimiento predictivo.
El documento EP 3 379 278 A1 describe un método para permitir una evaluación dinámica del rendimiento de un acumulador de energía de batería. RAMACHANDRAN R ET AL: “Recursive Estimation of Battery Pack Parameters in Electric Vehicles”, 2018 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPUTATIONAL INTELLIGENCE AND COMPUTING RESEARCH (ICCIC), IEEE, 13 de diciembre de 2018 (2018-12-13), páginas 1-7, XP033585263, <10.1109/ICCIC.2018.8782329> describe una combinación del enfoque gemelo digital y un método de estimación de parámetros para estimar el SOC de paquetes de batería en línea. El documento WO 2018/220115 A1 describe un método y un sistema para diagnosticar el estado operativo de un sistema electroquímico en tiempo real y un sistema electroquímico que incorpora este sistema de diagnóstico. GAO RUIZHI ET AL.: “Online parametric adaptive state of charge estimation for lithium batteries”, 2017 CHINESE AUTOMATION CONGRESS (CAC), IEEE, 20 de octubre de 2017 (2017-10-20), páginas 1442-1447, XP033289582, <10.1109/CAC.2017.8242994> describe una estimación adaptativa paramétrica en línea del estado de carga para baterías de litio.
En consecuencia, el objeto de la presente invención es proporcionar una nueva manera de monitorizar el estado de una celda de batería y un estado del sistema de batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema de batería.
El objeto de la presente invención se logra mediante un método para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería como se define en la reivindicación 1, y mediante un sistema para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería como se define en la reivindicación 7.
Realizaciones ventajosas de la presente invención se proporcionan en las reivindicaciones dependientes. Las características de las reivindicaciones 1, 7 se pueden combinar con las características de las reivindicaciones dependientes, y las características de las reivindicaciones dependientes se pueden combinar entre sí.
En un aspecto de la presente invención, se presenta un método para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería. En el que el sistema de batería comprende una pluralidad de celdas de batería conectadas entre sí, y en el que el gemelo de batería comprende al menos una celda de gemelo de batería que es idéntica a al menos una de las celdas de batería del sistema de batería.
El método comprende una etapa de medir al menos un parámetro de al menos una celda de batería del sistema de batería, en el que dicho al menos un parámetro medido describe las condiciones de trabajo de la al menos una celda de batería y/o de todo el sistema de batería.
Además, el método comprende una parte de medición fuera de línea, que comprende la reproducción de las condiciones de trabajo descritas con el al menos un parámetro medido en el gemelo de batería. Debe realizarse de tal manera que el al menos un parámetro del gemelo de batería bajo las condiciones de trabajo reproducidas sea igual al al menos un parámetro medido de la al menos una celda de batería del sistema de batería. Después de eso, mientras el gemelo de batería está funcionando en las condiciones de trabajo reproducidas, se mide al menos un parámetro adicional del gemelo de batería. Dichos parámetros adicionales del gemelo de batería se miden sin interrumpir el funcionamiento del sistema de batería.
Después de la parte de medición fuera de línea, el método comprende además una etapa de realizar un juicio sobre el estado de batería basándose en el al menos un parámetro adicional medido del gemelo de batería. Tal juicio sobre el estado de batería se puede realizar de la al menos una celda de batería y/o del sistema de batería en su totalidad.
En otro aspecto de la presente invención, se presenta un sistema para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería que usa un gemelo de batería. En el que el sistema de batería comprende una pluralidad de celdas de batería conectadas entre sí.
El sistema comprende
al menos un gemelo de batería, en el que el gemelo de batería comprende al menos una celda de gemelo de batería que es idéntica a al menos una de las celdas de batería del sistema de batería,
un dispositivo de medición que se adopta para medir al menos un parámetro de la al menos una celda de batería del sistema de batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema de batería, en el que dicho al menos un parámetro describe las condiciones de trabajo del sistema de batería,
un dispositivo de medición adicional que se adopta para medir al menos un parámetro adicional del gemelo de batería, en el que el al menos un parámetro adicional describe un estado del gemelo de batería;
una unidad de control que se adopta para lograr un método para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6.
El método y el sistema se pueden usar para monitorizar el estado de batería de una celda de batería del sistema de batería o para monitorizar el estado de batería de una pluralidad de celdas de batería del sistema de batería o para monitorizar el sistema de batería en su totalidad. Y dicha monitorización del estado de batería se logra sin interrumpir el funcionamiento del sistema de batería.
En lo sucesivo, “mediciones en línea” significa que las mediciones de parámetros se cumplen para el sistema de batería y/o para la al menos una celda de batería, mientras que la al menos una celda de batería está conectada al sistema de batería y el sistema de batería está en operación y/o funcionamiento.
En lo sucesivo, “mediciones fuera de línea” significa que las mediciones de parámetros adicionales se cumplen para el gemelo de batería mientras el sistema de batería está en operación y/o funcionamiento. Y tales mediciones fuera de línea no afectan al funcionamiento del sistema de batería.
La presente invención se basa en la idea general de que es posible realizar juicios sobre el estado de batería del sistema de batería basándose en el conocimiento del estado de batería del gemelo de batería que se encuentra en las mismas condiciones de trabajo que el sistema de batería.
Además, las técnicas de medición en línea y fuera de línea tienen sus ventajas y desventajas. Están disponibles más parámetros para mediciones fuera de línea para monitorizar el estado de batería, mientras que dentro de las mediciones en línea es posible medir parámetros que describen las condiciones de trabajo bajo las cuales opera el sistema de batería y/o la celda de batería del sistema de batería.
Reproduciendo las condiciones de trabajo en las que el sistema de batería trabaja en el gemelo de batería y considerando la similitud del gemelo de batería con la al menos una celda de batería del sistema de batería y la similitud de las celdas de batería entre sí dentro del sistema de batería, se supone que el estado de batería del gemelo de batería y el estado de batería de la celda de batería será el mismo. Por lo tanto, definir con precisión el estado de batería del gemelo de batería hace posible definir con precisión el estado de batería de la celda de batería y/o del sistema de batería.
Realizaciones adicionales de la presente invención son objeto de las reivindicaciones dependientes adicionales y de la siguiente descripción, con referencia a los dibujos.
Según la realización de la presente invención, el método para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema de batería usando el gemelo de batería permite estimar un estado de batería real de la al menos una celda de batería y/o el sistema de batería en modo/régimen en línea con ajuste adicional del estado de batería basándose en mediciones fuera de línea del parámetro adicional del gemelo de batería.
Las mediciones del al menos un parámetro de la al menos una celda de batería del sistema de batería pueden usarse no solo como datos que contienen información sobre las condiciones de trabajo en las que funciona la celda de batería y/o el sistema de batería, sino también para estimar el estado de batería de la celda de batería y/o del sistema de batería. Por lo tanto, teniendo dicho al menos un parámetro medido, es posible estimar el estado de batería real de la celda de batería y/o del sistema de batería. Sin embargo, dicha estimación no es precisa debido a la naturaleza de los parámetros disponibles para las mediciones en línea. Por otro lado, el gemelo de batería se puede usar como fuente de información adicional (es decir, coeficientes necesarios para el cálculo del estado de batería) para ajustar el estado de batería real.
Con un intervalo de tiempo dado, es posible lograr la parte de medición fuera de línea del método, que incluye la reproducción de las condiciones de trabajo en el gemelo de batería y la medición de al menos un parámetro adicional del gemelo de batería.
Por lo tanto, el estado de batería real de la celda de batería y/o el sistema de batería se ajusta basándose en dicho al menos un parámetro adicional del gemelo de batería medido dentro de la parte de medición fuera de línea, en la que la parte de medición fuera de línea se logra con el intervalo de tiempo dado.
Esta característica permite usar el gemelo de batería para monitorizar el estado de batería de diferentes sistemas de batería.
Sin embargo, en caso de que, dentro de un período de tiempo, el gemelo de batería se encuentre en diferentes condiciones de trabajo en comparación con el sistema de batería, además será posible realizar juicios y estimaciones del estado de batería del sistema de batería sobre el gemelo de batería en números relativos (por ejemplo, estimar la velocidad a la que “envejece” el sistema de batería, la velocidad a la que disminuye el estado de salud).
Usualmente, los dispositivos de medición usados para la medición precisa fuera de línea son muy sofisticados y costosos. Por lo tanto, a veces es razonable usar el gemelo de batería y dispositivos tan sofisticados para mediciones fuera de línea para una pluralidad de sistemas de batería.
Esta función permite aumentar la precisión de la estimación del estado de batería mediante el uso del gemelo de batería.
En otra realización posible del método, entre la etapa de medir al menos un parámetro y la parte de medición fuera de línea, el método comprende una etapa de transferir datos que comprenden información sobre el al menos un parámetro medido al gemelo de batería para reproducir las condiciones de trabajo descritas con el al menos un parámetro medido en el gemelo de batería.
Dicha transferencia de datos se puede realizar mediante diferentes formas y protocolos de comunicación de datos, por ejemplo, mediante la transferencia de datos a través de Internet, Ethernet, Wi-Fi, etc. También se pueden combinar entre sí diferentes formas de transferencia de datos.
Tal transferencia de datos que comprenden información sobre el al menos un parámetro medido desde el sistema de batería al gemelo de batería se puede lograr a través de una aplicación en la nube.
Esta característica permite almacenar datos en la nube, ejecutar análisis y dar acceso a diferentes tipos de usuarios para administrar los datos y la infraestructura en la nube. En general, es posible crear un ecosistema, es decir, un conjunto de servicios y aplicaciones, relacionadas con la estimación del estado de batería de baterías distribuidas en todo el mundo.
En algunos casos, es posible acoplar el gemelo de batería con el sistema de batería, por ejemplo, para acoplar eléctricamente, es decir, para establecer una derivación de acoplamiento, y para transferir datos a través de dicha derivación de acoplamiento. La derivación de acoplamiento es adecuada para transferir señales análogas.
Por lo tanto, tal característica permite transferir con precisión información sobre los cambios del al menos un parámetro. En caso de derivación de acoplamiento eléctrico, por ejemplo, una porción de la corriente del sistema de batería se puede transferir al gemelo de batería. A pesar del hecho de que solo una pequeña porción de la corriente se transfiere a través de la derivación de acoplamiento eléctrico y a pesar del hecho de que dicha corriente debe amplificarse adicionalmente para reproducir las condiciones de trabajo del sistema de batería en el gemelo de batería, aún se reproduce el perfil actual en el gemelo de batería con alta precisión.
Esta característica permite reproducir las condiciones de trabajo en el gemelo de batería con alta precisión. Por lo tanto, la precisión de la monitorización del estado de batería también aumenta.
En otra realización del método, el gemelo de batería es completamente idéntico al sistema de batería.
Tener un gemelo de batería colocado en las condiciones de trabajo exactas como sistema de batería permite monitorizar el estado de batería del sistema de batería con alta precisión mediante el uso de mediciones fuera de línea con los dispositivos de medición sofisticados logrados en el gemelo de batería.
En una realización del sistema según la presente invención, el sistema de batería y el gemelo de batería están acoplados entre sí de tal manera que se adopten para transferir señales análogas desde el sistema de batería al gemelo de batería directamente.
Tal característica permite transferir con precisión información sobre los cambios del al menos un parámetro. En caso de derivación de acoplamiento de eléctrico, por ejemplo, una porción de la corriente del sistema de batería se puede transferir al gemelo de batería. A pesar del hecho de que solo una pequeña porción de la corriente se transfiere a través de la derivación de acoplamiento eléctrico y a pesar del hecho de que dicha corriente debe amplificarse adicionalmente para reproducir las condiciones de trabajo del sistema de batería en el gemelo de batería, aún se reproduce el perfil actual en el gemelo de batería con alta precisión.
En otra realización del sistema según la presente invención, el sistema de batería y el gemelo de batería están situados de tal manera que se comparten las condiciones ambientales de trabajo.
Se puede realizar, por ejemplo, si el gemelo de batería se encuentra cerca del sistema de batería. Por ejemplo, el gemelo de batería se puede ubicar en la misma habitación donde está funcionando el sistema de batería.
Esta característica permite colocar el gemelo de batería en las mismas condiciones ambientales de trabajo (es decir, proporcionar las mismas, por ejemplo, temperatura ambiente, humedad ambiental y/o vibración, etc.) sin involucrar equipos adicionales.
Para una comprensión más completa de la presente invención y sus ventajas, ahora se hace referencia a la siguiente
descripción tomada con los dibujos adjuntos. La invención se explica con más detalle a continuación usando ejemplos de realización que se especifican en las figuras esquemáticas de los dibujos, en los que:
la figura 1 ilustra esquemáticamente un sistema para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según la presente invención;
la figura 2 ilustra esquemáticamente un método para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según la presente invención;
la figura 3 ilustra esquemáticamente una realización del método para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según la presente invención;
la figura 4 ilustra esquemáticamente una realización del sistema para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según la presente invención;
la figura 5 ilustra esquemáticamente otra realización del sistema para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según la presente invención;
la figura 6 ilustra esquemáticamente otra realización del método para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según la presente invención;
la figura 7 ilustra esquemáticamente otra realización del método para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según la presente invención;
Se describen varias realizaciones con referencia a los dibujos, en los que se usan números de referencia similares para referirse a elementos similares en todo el documento. En la siguiente descripción, a efectos de explicación, numerosos detalles específicos se exponen con el fin de proporcionar una comprensión completa de una o más realizaciones. Puede observarse que las realizaciones ilustradas pretenden explicar, y no limitar, la invención. Puede ser evidente que tales realizaciones pueden practicarse sin estos detalles específicos.
La figura 1 ilustra un sistema 1 para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería usando un gemelo 4 de batería.
En el que el sistema 2 de batería comprende una pluralidad de celdas 3, 3' de batería conectadas entre sí. La pluralidad de celdas 3 de batería del sistema 2 de batería pueden estar en circuitos en serie y/o en paralelo.
El sistema 1 comprende un gemelo 4 de batería, en el que el gemelo 4 de batería comprende al menos una celda 5 de gemelo de batería que es idéntica a al menos una de las celdas 3, 3' de batería del sistema 2 de batería.
El gemelo 4 de batería puede comprender una pluralidad de celdas 5 de gemelo de batería. En el caso ideal, todas las celdas 5 de gemelo de batería deberían ser idénticas a las celdas 3, 3' de batería del sistema 2 de batería.
De hecho, el gemelo 4 de batería puede comprender el mismo número de celdas 5 de gemelo de batería que el número de celdas 3, 3' de batería en el sistema 2 de batería. En el caso ideal, el gemelo 4 de batería es completamente idéntico al sistema 2 de batería.
Además, el sistema 1 comprende un dispositivo 6 de medición que se adopta para medir al menos un parámetro de la al menos una celda 3' de batería del sistema 2 de batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería. El al menos un parámetro de la al menos una celda 3, 3' de batería, o de la pluralidad de celdas 3, 3' de batería, o incluso de todo el sistema 2 de batería también puede medirse mediante el dispositivo 6 de medición sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería. Dichos dispositivos 6 de medición son bien conocidos. Hay diferentes tipos de tales dispositivos. Puede ser un sensor, un voltímetro, un amperímetro, un termómetro, etc. y/o cualquier combinación de tales dispositivos.
Por lo general, la corriente y la tensión son los parámetros que se miden con bastante facilidad sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería. Además, dichas mediciones no requieren dispositivos 6 de medición costosos y sofisticados.
Además, los parámetros ambientales tales como la temperatura ambiente, la humedad, la presión y la vibración se pueden medir fácilmente sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería.
El dispositivo 6 de medición puede adoptarse para medir uno o más parámetros que describen las condiciones de trabajo en las que trabaja el sistema 2 de batería.
Los parámetros que deben medirse y cuántos parámetros deben medirse mediante el dispositivo 6 de medición están definidos por expertos y dependen del estado del sistema de batería que debe controlarse.
Además, el sistema 1 comprende un dispositivo 7 de medición adicional que se adopta para medir al menos un parámetro adicional del gemelo 4 de batería. Dichos dispositivos 7 de medición adicionales son bien conocidos. El dispositivo 7 de medición adicional es un equipo que normalmente se usa en laboratorios para mediciones sofisticadas y precisas. Hay diferentes tipos de tales dispositivos. Puede ser un sensor, un voltímetro, un amperímetro, un generador de funciones, un termómetro, etc. y/o cualquier combinación de tales dispositivos.
Uno o más parámetros adicionales del gemelo 4 de batería pueden medirse mediante el dispositivo 7 de medición adicional. Los parámetros adicionales que deben medirse y cuántos parámetros adicionales deben medirse están definidos por expertos y dependen del estado del sistema 2 de batería que debe monitorizarse. Por lo general, dichos parámetros adicionales son la impedancia, la resistencia interna y/o la capacidad total, etc. Por lo general, los siguientes métodos de medición se usan en laboratorios para la medición precisa de los parámetros de la batería: método de carga de CC, conductancia de CA (método de 1 kHz), espectroscopia de impedancia electroquímica.
Según la presente invención, el sistema 1 comprende además una unidad 8 de control que se adopta para realizar el método 100 para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7. A continuación se describe el método 100 para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7.
Según una realización de la presente invención, el sistema 2 de batería y el gemelo 4 de batería pueden acoplarse entre sí, por ejemplo, eléctricamente, de tal manera que se adopten para transferir señales análogas desde el sistema 2 de batería al gemelo 4 de batería directamente. Por ejemplo, una porción de la corriente que pasa por el sistema 2 de batería se transfiere al gemelo 4 de batería directamente a través de la conexión eléctrica del sistema 2 de batería y del gemelo 4 de batería.
Según la otra realización de la presente invención, el sistema 2 de batería y el gemelo 4 de batería están ubicados de tal manera que se comparten condiciones ambientales de trabajo, tales como, por ejemplo, temperatura ambiente, humedad ambiental y/o vibración. Se puede realizar, por ejemplo, si el gemelo 4 de batería se encuentra cerca del sistema 2 de batería. Por ejemplo, el gemelo 4 de batería se puede ubicar en la misma habitación donde está funcionando el sistema 2 de batería.
Puede usarse el sistema 1 para monitorizar el estado de batería de al menos una celda 3' de batería del sistema 2 de batería o para monitorizar el estado de batería de una pluralidad de celdas 3' de batería del sistema 2 de batería o para monitorizar el estado de batería del sistema 2 de batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería.
Además, se describen los detalles del sistema 1 para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería que usa un gemelo de batería y cómo funciona el sistema 1 junto con la descripción del método 100 para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería.
En lo sucesivo, “medición en línea” significa que las mediciones de parámetros se cumplen para el sistema 2 de batería y/o para la al menos una celda 3, 3' de batería, mientras que la al menos una celda 3, 3' de batería está conectada al sistema 2 de batería y el sistema 2 de batería está en operación y/o funcionamiento.
En lo sucesivo, “medición fuera de línea” significa que las mediciones de parámetros adicionales se cumplen para el gemelo 4 de batería mientras el sistema 2 de batería está en operación y/o funcionamiento. Y tales mediciones fuera de línea no afectan al funcionamiento del sistema 2 de batería.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques de un método 100 para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema 2 de batería usando un gemelo 4 de batería.
Como se describió anteriormente, el sistema 2 de batería comprende una pluralidad de celdas 3, 3' de batería conectadas entre sí. La pluralidad de las celdas 3, 3' de batería del sistema 2 de batería pueden estar en circuitos en serie y/o en paralelo. El gemelo 4 de batería comprende al menos una celda 5 de gemelo de batería que es idéntica a al menos una de las celdas 3, 3' de batería del sistema 2 de batería.
En una etapa 101 se mide al menos un parámetro de la al menos una celda 3' de batería del sistema 2 de batería. En el que dicho al menos un parámetro medido describe las condiciones de trabajo de la al menos una celda 3' de batería y/o las condiciones de trabajo de todo el sistema 2 de batería.
Dichas mediciones del al menos un parámetro se pueden realizar con respecto a la al menos una celda 3' de batería, una pluralidad de celdas 3' de batería y/o con respecto al sistema 2 de batería. Además, tiene sentido medir algún parámetro (corriente, tensión, temperatura de celda de batería, etc.) de la al menos una celda 3' de batería y algunos parámetros (corriente, tensión, temperatura ambiente, vibración, etc.) del sistema 2 de batería.
El al menos un parámetro puede ser, por ejemplo, corriente, tensión, temperatura de la al menos una celda 3' de batería y/o de todo el sistema 2 de batería. Además, puede ser un parámetro que describa un entorno ambiental en el que funciona la al menos una celda 3' de batería y/o el sistema 2 de batería, tal como temperatura ambiente, humedad, presión, vibración, etc. De hecho, cuantos más parámetros que describan las condiciones de trabajo de la celda 3' de batería y/o el estado del sistema 2 de batería en su conjunto se miden, mejor. Dado que las condiciones de trabajo influyen en el estado de cada una de las celdas 3, 3' de batería y, por lo tanto, en el estado del sistema 2 de batería en su conjunto. Además, pueden ser parámetros que describan el proceso de carga/descarga (cuántos ciclos de carga/descarga, la profundidad de la carga/descarga, etc.).
Tales mediciones del al menos un parámetro de la al menos una celda 3' de batería pueden realizarse mediante el dispositivo 6 de medición.
El método 100 comprende además una parte I de medición fuera de línea. En el que la parte I de medición fuera de línea del método 100 comprende las siguientes etapas.
En una etapa 102, las condiciones de trabajo descritas con el al menos un parámetro medido se reproducen en el gemelo 4 de batería de tal manera que el al menos un parámetro del gemelo 4 de batería bajo las condiciones de trabajo reproducidas es igual al al menos un parámetro medido de la al menos una celda 3' de batería del sistema 2 de batería. Dicho de otro modo, el gemelo 4 de batería debe llevarse a las mismas condiciones de trabajo que la al menos una celda 3' de batería del sistema 2 de batería.
Además, en una etapa 103 de la parte I de medición fuera de línea, al menos un parámetro adicional del gemelo 4 de batería mientras el gemelo 4 de batería está funcionando en las condiciones de trabajo reproducidas.
Las mediciones del al menos un parámetro adicional del gemelo 4 de batería se realizan sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería. Aun así, el gemelo 4 de batería está en las mismas condiciones de trabajo que la al menos una celda 3' de batería y/o el sistema 2 de batería, ya que las condiciones de trabajo de la al menos una celda 3' de batería y/o el sistema 2 de batería se miden y se reproducen adicionalmente para el gemelo 4 de batería.
Tales mediciones pueden realizarse mediante un dispositivo 7 de medición adicional. Por lo general, dichos dispositivos 7 de medición adicionales son muy sofisticados y se usan en laboratorios para mediciones precisas. Se pueden medir fuera de línea diferentes tipos de parámetros adicionales del gemelo 4 de batería. Dichos parámetros adicionales pueden ser, por ejemplo, la impedancia, la resistencia interna, el ciclo de vida restante y/o la capacidad total.
Por lo general, los siguientes métodos de medición se usan en laboratorios para la medición precisa de los parámetros de la batería: método de carga de CC, conductancia de CA (método de 1 kHz), espectroscopia de impedancia electroquímica.
Después de tales mediciones fuera de línea del al menos un parámetro adicional del gemelo 4 de batería realizado dentro de la parte I de medición fuera de línea en una etapa 104, se realiza un juicio sobre el estado de la batería de la al menos una celda 3' de batería y/o sobre el estado de batería del sistema 2 de batería.
Teniendo en cuenta que
el gemelo 4 de batería es idéntico a al menos una de las celdas 3' de batería del sistema 2 de batería,
el gemelo 4 de batería está en las mismas condiciones de trabajo que la al menos una de las celdas 3' de batería del sistema 2 de batería, y que
el estado del gemelo 4 de batería se puede definir con mayor precisión basándose en los parámetros adicionales medidos,
se puede realizar el juicio sobre el estado de batería de la al menos una celda 3' de batería. Además, también se puede realizar el juicio sobre el estado de batería del sistema 2 de batería. Y dichos juicios sobre el estado de batería se realizan sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería.
El sistema 2 de batería y el gemelo 4 de batería pueden tener ubicaciones diferentes. Por ejemplo, el sistema 2 de batería puede estar en un sitio remoto, mientras que el gemelo 4 de batería puede estar ubicado en un laboratorio. Por lo tanto, además del método 100 descrito anteriormente para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería, el método puede comprender una etapa 107 de transferir datos que comprenden información sobre el al menos un parámetro medido en el gemelo 4 de batería para reproducir las condiciones de trabajo descritas con el al menos un parámetro medido en el gemelo 4 de batería.
Dicha transferencia de datos debe realizarse antes de iniciar la parte I de medición fuera de línea y es necesaria para la etapa 102 de reproducir las condiciones de trabajo descritas con el al menos un parámetro medido en el gemelo 4 de batería para llevar el gemelo 4 de batería a las mismas condiciones de trabajo que el sistema 2 de batería.
La transferencia de datos se puede realizar de diferentes formas.
Según una de las realizaciones de la presente invención, dicha transferencia de datos se logra a través de una aplicación y/o servicio 10 en la nube, como se muestra en la figura 4.
Además, dicha transferencia de datos se logra a través de una derivación de acoplamiento que se muestra esquemáticamente en la figura 5. Tal derivación de acoplamiento es necesaria para acoplar, por ejemplo, eléctricamente, el sistema 2 de batería y el gemelo 4 de batería de tal manera que se adoptan para transferir señales análogas desde el sistema 2 de batería al gemelo 4 de batería directamente. Por ejemplo, una porción de la corriente que pasa por el sistema 2 de batería se transfiere al gemelo 4 de batería directamente a través de la conexión eléctrica del sistema 2 de batería y del gemelo 4 de batería.
Los expertos deben definir qué parte de la corriente debe ir al gemelo 4 de batería. Sin embargo, quitar tal parte de la corriente del sistema 2 de batería no debería afectar el funcionamiento del sistema 2 de batería. Dado que la porción de la corriente es bastante pequeña y, por lo tanto, la corriente que pasa por el gemelo 4 de batería no será idéntica a la corriente que pasa por el sistema 2 de batería, algunos equipos adicionales (no mostrados en la figura 5), por ejemplo, un amplificador, pueden ser necesarios para reproducir las condiciones de trabajo en el gemelo 4 de batería. Por otro lado, dicha transferencia de datos que comprenden información sobre el al menos un parámetro medido en el gemelo 4 de batería a través de la derivación de acoplamiento permitirá alcanzar una réplica casi idéntica del perfil de la corriente.
Según otra realización del método 100 según la presente invención que se muestra en la figura 6, el método 100 comprende una etapa 105 para estimar un estado de batería real basándose en el al menos un parámetro medido de la al menos una de las celdas 3' de batería y/o del sistema 2 de batería que se logra dentro de la etapa 101. Dichas mediciones del al menos un parámetro se logran sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería. Dicho de otro modo, se tratan de mediciones en línea del al menos un parámetro. Además, dichas mediciones dentro de la etapa 101 se pueden realizar en modo en línea, es decir, sobre una base permanente. Basándose en al menos un parámetro medido en línea, el estado de batería real de la al menos una celda 3' de batería y/o el sistema 2 de batería puede estimarse y monitorizarse. Sin embargo, dicho estado de batería real estimado no es preciso debido a la naturaleza de las mediciones que están disponibles en régimen en línea sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería.
Por otro lado, según el método 100, la parte I de medición fuera de línea del al menos un parámetro adicional del gemelo 4 de batería se realiza con un intervalo de tiempo dado mientras el gemelo 4 de batería se encuentra en condiciones de trabajo reproducidas. Los datos que comprenden información sobre el al menos un parámetro medido en el gemelo 4 de batería para reproducir las condiciones de trabajo descritas con el al menos un parámetro medido en el gemelo 4 de batería se pueden transferir al gemelo 4 de batería dentro de la etapa 107, como se muestra en la figura 7.
Por lo tanto, en lugar de realizar un juicio sobre el estado de batería basándose en el al menos un parámetro adicional medido del gemelo 4 de batería, en una etapa 106 el estado de batería real se ajusta basándose en los resultados de las mediciones fuera de línea logradas en el gemelo 4 de batería.
Al tener al menos un parámetro adicional para el gemelo 4 de batería medido mientras el gemelo 4 de batería está en las condiciones de trabajo reproducidas, por ejemplo, se pueden definir diferentes coeficientes que se usan para la estimación del estado de batería basándose en los parámetros medidos en línea basándose en los parámetros adicionales medidos fuera de línea.
El intervalo de tiempo dado debe ser definido por expertos y también puede depender de la disponibilidad del gemelo 4 de batería para las mediciones fuera de línea.
Cabe mencionar lo siguiente. Reproducir las condiciones de trabajo en las que trabaja el sistema 2 de batería en el gemelo 4 de batería, y medir al menos un parámetro adicional del gemelo 4 de batería, considerando
la similitud del gemelo 4 de batería con la al menos una celda 3' de batería del sistema 2 de batería y
la similitud de las celdas 3, 3' de batería entre sí dentro del sistema 2 de batería,
es posible ajustar el estado de batería real de la al menos una celda 3' de batería y/o el sistema 2 de batería basándose en el al menos un parámetro adicional medido del gemelo de batería.
Es más, conociendo con mucha precisión el comportamiento del gemelo 4 de batería y, por lo tanto, su estado, es
posible estimar el estado de batería en valores absolutos - en caso de que, por ejemplo, el gemelo 4 de batería desde el principio siempre esté en las mismas condiciones de trabajo que el sistema 2 de batería. En el caso ideal, el sistema 2 de batería y el gemelo 4 de batería deberían funcionar en las mismas condiciones de trabajo desde el comienzo de su trabajo y permanentemente durante el período de vida.
En caso de que, dentro de algún período, el gemelo 4 de batería se encuentre en condiciones de trabajo diferentes en comparación con el sistema 2 de batería (es decir, el gemelo 4 de batería participa en el control del estado de la batería de vez en cuando), además será posible realizar juicios y la estimación del estado de batería del sistema 2 de batería y/o la al menos una celda 3' de batería sobre el gemelo 4 de batería en números relativos. Dicho de otro modo, es posible, por ejemplo, estimar la velocidad a la que “envejece” el sistema de batería, la velocidad a la que disminuye el estado de salud, etc.
Sin embargo, en este caso, el gemelo 4 de batería y el equipo 7 de medición se pueden usar para monitorizar el estado de la batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema 2 de batería para una pluralidad de sistemas 2 de batería. El alcance de la invención se define por las reivindicaciones siguientes.
Números de referencia
1 - sistema
2 - sistema de batería
3, 3' - celda de batería
4 - gemelo de batería
5 - celda de gemelo de batería
6 - dispositivo de medición
7 - dispositivo de medición adicional
8 - unidad de control
10 - nube
11 - derivación de acoplamiento
100 - método
101 - 107 - etapas del método
Claims (9)
- REIVINDICACIONESi. Método (100) para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería,en el que el sistema (2) de batería comprende una pluralidad de celdas (3, 3') de batería conectadas entre sí, en el que el gemelo (4) de batería comprende al menos una celda (5) de gemelo de batería que es idéntica a al menos una de las celdas (3, 3') de batería del sistema (2) de batería,comprendiendo el método (100):una etapa de medir al menos un parámetro (101) de la al menos una celda (3') de batería del sistema (2) de batería, en el que dicho al menos un parámetro medido describe las condiciones de trabajo de la al menos una celda (3') de batería, estando el método (100) caracterizado porquecomprende además una parte (I) de medición fuera de línea, que comprende:una etapa (102) de reproducir las condiciones de trabajo descritas con el al menos un parámetro medido en el gemelo (4) de batería, de tal manera que el al menos un parámetro del gemelo (4) de batería bajo las condiciones de trabajo reproducidas es igual a dicho al menos un parámetro medido de la al menos una celda (3') de batería del sistema (2) de batería,una etapa (103) de medir al menos un parámetro adicional del gemelo de batería mientras el gemelo de batería está funcionando en las condiciones de trabajo reproducidas,después de la parte (I) de medición fuera de línea, el método (100) comprende, ademásuna etapa (104) de realizar un juicio sobre el estado de batería basándose en el al menos un parámetro adicional medido del gemelo de batería.
- 2. Método según la reivindicación 1, en el que, basándose en el al menos un parámetro medido, se estima (105) un estado de batería real, y en el que el estado de batería real se ajusta (106) basándose en el al menos un parámetro adicional del gemelo (4) de batería medido dentro de la parte (I) de medición fuera de línea, en el que la parte (I) de medición fuera de línea se logra con un intervalo de tiempo dado.
- 3. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 2, en el que entre la etapa (101) de medir al menos un parámetro y la parte (I) de medición fuera de línea, el método (100) comprendeuna etapa (107) de transferir datos que comprenden información sobre el al menos un parámetro medido al gemelo (4) de batería para reproducir las condiciones de trabajo descritas con el al menos un parámetro medido en el gemelo (4) de batería.
- 4. Método según la reivindicación 3, en el que en la etapa (107) de transferir datos que comprenden información sobre el al menos un parámetro medido en el gemelo (4) de batería, dicha transferencia de datos se logra a través de una aplicación en la nube.
- 5. Método según la reivindicación 3, en el que en la etapa (107) de transferir datos que comprenden información sobre el al menos un parámetro medido al gemelo (4) de batería, dicha transferencia de datos se logra a través de una derivación de acoplamiento.
- 6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 5, en el que el gemelo (4) de batería es completamente idéntico al sistema (2) de batería.
- 7. Sistema (1) para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería,en el que el sistema (2) de batería comprende una pluralidad de celdas (3, 3') de batería conectadas entre sí, comprendiendo el sistema (1):al menos un gemelo (4) de batería, en el que el gemelo (4) de batería comprende al menos una celda (5) de gemelo de batería que es idéntica a al menos una de las celdas (3, 3') de batería del sistema (2) de batería, un dispositivo (6) de medición que está adaptado para medir al menos un parámetro de la al menos una celda (3') de batería del sistema (2) de batería sin interrumpir el funcionamiento del sistema (2) de batería, en el que dicho al menos un parámetro describe las condiciones de trabajo del sistema (2) de batería, un dispositivo (7) de medición adicional que está adaptado para medir al menos un parámetro adicional del gemelo (4) de batería, en el que el al menos un parámetro adicional describe un estado del gemelo 4 de batería,una unidad (8) de control que está adaptada para lograr el método (100) para monitorizar un estado de batería sin interrumpir el funcionamiento de un sistema de batería usando un gemelo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6.
- 8. Sistema (1) según la reivindicación 7, en el que el sistema (2) de batería y el gemelo (4) de batería están acoplados (eléctricamente) entre sí de tal manera que se adaptan para transferir señales análogas desde el sistema (2) de batería al gemelo (4) de batería directamente.
- 9. Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones 7 - 8, en el que el sistema (2) de batería y el gemelo (4) de batería están ubicados de tal manera que se comparten las condiciones ambientales de trabajo.
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