ES3055872T3 - Method and device for determining a stress profile representing the future use of a battery for a given application - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método y a un dispositivo para determinar un perfil de esfuerzo representativo del uso futuro de una batería para una aplicación dada, y más particularmente un perfil de uso de baterías de iones de litio para sistemas de almacenamiento estacionario. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Procedimiento y dispositivo de determinación de un perfil de solicitación representativo del uso futuro de una batería para una aplicación dada

[0003] Campo de la invención

[0004] La invención se refiere al campo técnico de las baterías y trata sobre un procedimiento y un dispositivo que permiten determinar un perfil representativo del uso futuro de una batería para una aplicación dada, denominado perfil de solicitación y, más particularmente, un perfil del uso de baterías de iones de litio.

[0005] Estado de la técnica

[0006] Las baterías de litio en sus diferentes variantes, tales como, por ejemplo, las baterías de "iones de litio" o "polímero de iones de litio" o "polímero de metal de litio", son las baterías que presentan una de las mayores densidades de energías y una de las mayores energías específicas. Se trata de la tecnología de elección para la alimentación de numerosas aplicaciones, tales como, por ejemplo, los vehículos eléctricos o híbridos, los dispositivos portátiles. Sin embargo, estas baterías presentan una degradación en su rendimiento en el curso del tiempo, en concreto, una degradación de capacidad y de resistencia eléctrica, esto incluso durante los períodos de no utilización y se habla de "envejecimiento o degradación de calendario".

[0007] La degradación de establecimiento de ciclos se produce cuando la batería se somete a una solicitación eléctrica, durante una carga o una descarga, mientras que la degradación de calendario sobreviene constantemente en el curso de la vida de la batería, ya esté sometida a una solicitación eléctrica o no.

[0008] La toma en cuenta de la evolución prevista del rendimiento de una batería presenta numerosas ventajas en diferentes niveles de un sistema que la incorpora, ya sea para su dimensionamiento, su mantenimiento, para las estrategias de pilotaje, entre otros.

[0009] El rendimiento de las baterías se puede medir gracias a la instauración de indicadores, tales como el estado de salud o SOH (acrónimo de "State Of Health", según el anglicismo establecido), indicadores que se calculan mediante señales físicas medidas directamente en la batería.

[0010] La evolución prevista de estos indicadores y, por lo tanto, del rendimiento de las baterías para un perfil de solicitación de una batería y para una aplicación dada, se puede simular por medio de un modelo de envejecimiento o modelo de resistencia, que está previamente parametrizado.

[0011] Para un tipo de modelo de envejecimiento dado, generalmente, basado en un modelo de envejecimiento empírico simple de utilización, se establecen mapas de los parámetros del modelo por medio de una base de datos que está constituida por resultados de ensayos de resistencias de la batería estudiada. El contenido de esta base de datos puede ser más o menos rico en función del número de ensayos de resistencia realizados. El alcance de la campaña de ensayos de resistencia se determina en función de un número de parámetros de estudio que pueden influir en el rendimiento de la batería.

[0012] Generalmente, las condiciones de resistencia elegidas para la realización de los ensayos experimentales son condiciones no variables - estabilidad de temperatura, estabilidad en estado de carga de la batería o SOC (acrónimo de "State of Charge", según el anglicismo establecido), estabilidad de corriente eléctrica (es decir, el nivel de solicitación eléctrica) - con el fin de poder identificar los efectos de estos parámetros sobre la degradación de la batería. El modelo de envejecimiento utilizado permite, a continuación, vincular estos diferentes efectos entre sí y es posible, entonces, estimar las degradaciones para perfiles de utilización más complejos, para las que estas condiciones pueden ser variables.

[0013] Estando los mapas de parámetros para un modelo determinados para condiciones no variables, es, entonces, a menudo, interesante disponer de resultados de ensayos experimentales realizados para condiciones de resistencia variables, representativas de condiciones de uso futuro de las baterías para una aplicación particular y, esto, con fines de validación del modelo.

[0014] Los ensayos de las baterías con estos perfiles de solicitación se realizan en bancos de ensayos eléctricos para los que es posible programar diferentes perfiles de solicitaciones, sin embargo, con un número de puntos limitado. Ahora bien, un perfil de solicitación, incluso con un número de puntos limitado, debe seguir siendo representativo del uso real de la batería, lo que, en general, no es el caso.

[0015] En la técnica anterior existen diferentes enfoques para establecer perfiles de solicitación de batería.

[0016] El documento de S. B. Vilsen y D.-I. Stroe, "Transfer Learning for Adapting Battery State-of-Health Estimation From Laboratory to Field Operation", IEEE Access, vol. 10, pp. 26514-26528, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3156657, presenta un método para extraer un perfil de funcionamiento de una carretilla elevadora, tomando, como entrada, datos de operación de un período de 6 meses de tres carretillas elevadoras y donde se han suprimido los períodos de reposo. El perfil resultante, extraído de 12-15 días, es un perfil de prueba acelerada utilizado para el establecimiento de ciclos de las baterías en laboratorio, donde las condiciones de las mediciones no reproducen fielmente el funcionamiento real. Por ejemplo, el banco del establecimiento de ciclos no permitía ir más allá de 50 amperios, mientras que, durante el funcionamiento real, había picos de 350 amperios. Para compensar estas limitaciones, la descarga se ha prolongado hasta que el perfil de envejecimiento, en laboratorio a 50 amperios, llega al mismo estado de carga que el perfil de funcionamiento de las tres carretillas elevadoras. También, en este enfoque, el perfil no es representativo del uso real. Por añadidura, las baterías de iones de litio también envejecen durante los períodos de reposo, estos períodos no se consideran.

[0017] En la solicitud de patente CN106980725B, el procedimiento propuesto permite extraer las fases de funcionamiento de la batería de un vehículo (en un aparcamiento, en rodadura y en arranque), de un perfil estandarizado NEDC (acrónimo de "New European Driving Cycle" en inglés), para realizar, a continuación, simulaciones de funcionamiento y permitir dimensionar la batería. Ahora bien, este perfil no es utilizable más que para aplicaciones automóviles, es decir, baterías a bordo y únicamente para la medición del consumo y de las emisiones contaminantes de los vehículos.

[0018] Otros enfoques, como el descrito en el artículo de A. Bhatt, W. Ongsakul, N. Madhu Manjiparambil, y J. G. Singh, "Machine learning-based approach for useful capacity prediction of second-life batteries employing appropriate input selection", International Journal of Energy Research, vol.45, n.º 15, pp.21023-21049, 2021, doi: 10.1002/er.

[0019] 7160, utilizan la base de datos pública "NASA Prognostics Data Repository" para obtener perfiles de simulaciones, utilizados para el aprendizaje de algoritmos de predicción del estado de salud de las baterías. Los perfiles de la base de datos son perfiles de prueba de laboratorio y, por lo tanto, no están sometidos a restricciones de sistemas en funcionamiento real.

[0020] Los documentos FR3118310A1, US2022/037609A1 y EP3936878A1 divulgan procedimientos para estimar la vida útil, el envejecimiento, así como el estado de salud de una batería.

[0021] De ello resulta que, según los enfoques conocidos, los perfiles de solicitación eléctrica, utilizados en simulaciones de envejecimiento de sistemas, no son representativos de un uso real de una batería y, esto, para cada sistema operativo. Por este hecho, la proyección de vida útil de una batería, que resulta de ello, no es lo suficientemente fiable y precisa.

[0022] También, existe la necesidad de un método que permita establecer perfiles de solicitación que supere los inconvenientes de los enfoques conocidos.

[0023] La presente invención responde a esta necesidad.

[0024] Breve descripción de la invención

[0025] La presente invención tiene como objeto un procedimiento de determinación de perfiles de solicitación, representativos de usos futuros de una batería para aplicaciones específicas.

[0026] Ventajosamente, el procedimiento de la invención permite generar perfiles de solicitación que son compatibles con restricciones experimentales relacionadas con los ensayos de resistencia en laboratorio de baterías de iones de litio.

[0027] El procedimiento de la invención permite definir perfiles de solicitación representativos del uso de una batería o representativos de una secuencia de utilización restringida de una batería, a partir de datos procedentes de un seguimiento de batería en operación real, durante una duración larga (anual o más larga).

[0028] Según un aspecto particular, el procedimiento de la invención permite determinar un perfil de solicitación eléctrica que es representativo de la utilización de las baterías en sistemas de almacenamiento por batería.

[0029] De manera ventajosa, la invención permite, a partir del análisis de datos operativos de sistemas estacionarios, registrados durante una duración larga, determinar perfiles representativos del uso de baterías en sistemas de almacenamiento por baterías estacionarios.

[0030] Ventajosamente, los perfiles establecidos son perfiles en número de puntos limitados, que son representativos de un uso real futuro de la batería para una aplicación dada.

[0031] Los perfiles de solicitación establecidos pueden utilizarse, entre otros, para la validación de modelos de envejecimiento en simulaciones. También pueden permitir probar experimentalmente la resistencia de un sistema (con un perfil de solicitación adaptado) y permitir también un dimensionamiento óptimo de un sistema de baterías para una aplicación dada.

[0032] Por lo demás, los perfiles de solicitación pueden servir en el modelado de las baterías con vistas a realizar un pronóstico de estado de salud.

[0033] Para ello, se propone un procedimiento de determinación de perfiles de solicitación para sistema de almacenamiento por batería. El procedimiento se implementa por ordenador y comprende al menos etapas que consisten en:

[0034] - calcular una duración de operación de un sistema de almacenamiento por batería, a partir de un historial de datos recopilados durante un período de monitoreo de dicho sistema, comprendiendo los datos al menos valores de corriente I(t), de temperatura T(t), de tensión U(t) y valores de estado de carga SOC;

[0035] - efectuar, para la duración de operación, análisis de estadísticas de uso de la batería en cuanto al estado de carga SOC y la profundidad de descarga DOD;

[0036] - recortar dicha duración de operación en n secuencias temporales, siendo la duración de una secuencia representativa del funcionamiento de dicho sistema de almacenamiento para una aplicación dada;

[0037] - efectuar, para cada una de las n secuencias temporales, análisis de estadísticas de uso de la batería en cuanto al estado de carga SOC y la profundidad de descarga DOD;

[0038] - determinar, de entre las n secuencias temporales, una pluralidad m de secuencias que tienen estados de carga y profundidades de descarga comparables a estados de carga y profundidades de descarga para la duración de operación;

[0039] - determinar, de entre las m secuencias comparables, secuencias simétricas correspondientes a secuencias que tienen un estado de carga al final de período igual al estado de carga al comienzo de período; y

[0040] - seleccionar, de entre las secuencias simétricas, una secuencia representativa de un perfil de solicitación para dicho sistema de almacenamiento.

[0041] Ventajosamente, el procedimiento de la invención comprende variantes de realización diferenciadas o combinadas. De este modo, el procedimiento puede comprender una etapa inicial de filtrado de los datos, que consiste en determinar, durante el período de recopilación de los datos, un subperíodo de monitoreo, que corresponde ya sea a un período con la menor cantidad de lagunas de datos, ya sea en un período en que hay la menor cantidad de datos no numéricos.

[0042] Preferentemente, la duración de operación corresponde a un promedio de las horas de operación durante el período de monitoreo de dicho sistema de almacenamiento.

[0043] La etapa de análisis de estadísticas para la duración de operación se hace preferentemente sobre histogramas del tiempo transcurrido por intervalo de estado de carga y sobre histogramas del tiempo transcurrido por intervalo de profundidad de descarga.

[0044] En un modo de realización, la etapa de análisis de estadísticas para cada una de las n secuencias temporales se hace sobre histogramas, para cada una de las n secuencias, del tiempo transcurrido por intervalo de estado de carga y sobre histogramas, para cada una de las n secuencias, del tiempo transcurrido por intervalo de profundidad de descarga.

[0045] El procedimiento puede comprender una etapa inicial que consiste en verificar la fiabilidad de los valores de estado de carga y, si es necesario, una etapa que consiste en calcular un estado de carga fiable.

[0046] El procedimiento puede comprender una etapa que consiste en calcular valores de profundidad de descarga. En un modo de realización, la etapa de seleccionar una secuencia representativa de un perfil de solicitación, para dicho sistema de almacenamiento, consiste en:

[0047] - recuperar perfiles de corriente o perfiles de potencia correspondientes a las secuencias simétricas; - calcular una diferencia punto por punto entre cada perfil de corriente o de potencia recuperado y un perfil promedio; y -seleccionar un perfil que corresponde al que tiene una diferencia mínima con el perfil promedio.

[0048] El procedimiento puede comprender una etapa que consiste en escalar el perfil de solicitación seleccionado como perfil representativo.

[0049] Otro objeto de la invención se refiere a un dispositivo de determinación de perfiles de solicitación para sistema de almacenamiento por batería, que comprende medios para implementar las etapas del procedimiento de la invención.

[0050] En una realización, el dispositivo de la invención se aplica para un sistema de almacenamiento estacionario, preferentemente un sistema de almacenamiento por baterías "BESS".

[0051] Preferentemente, el sistema de almacenamiento incluye al menos una batería de iones de litio.

[0052] Otro objeto de la invención es un dispositivo para simular el envejecimiento de las baterías de un sistema de almacenamiento por batería, comprendiendo el dispositivo al menos un procesador para ejecutar un modelo de envejecimiento de batería, así como un segundo dispositivo de determinación de perfiles de solicitación para sistema de almacenamiento por batería según la invención, aplicándose dicho modelo en función de un perfil de tensiones determinado por dicho segundo dispositivo, obteniéndose, por lo tanto, dicho perfil por el procedimiento de la invención.

[0053] La invención también se dirige a un programa de ordenador que comprende instrucciones de código que, cuando el programa se ejecuta por un ordenador, lo llevan a implementar el procedimiento de determinación de perfiles de solicitación para sistema de almacenamiento por batería de la invención.

[0054] Breve descripción de las figuras

[0055] Otras características, detalles y ventajas de la invención se desprenderán a la lectura de la descripción hecha con referencia a los dibujos adjuntos, dados a título de ejemplo y que representan:

[0056] la figura 1 es un diagrama de flujo de las etapas del procedimiento de determinación de perfiles de solicitación eléctrica, según un modo de realización de la invención;

[0057] las figuras 2a y 2b ilustran ejemplos de histogramas de los tiempos transcurridos, respectivamente, por rango de estado de carga (SOC) y por rango de profundidad de descarga (DOD) de una batería durante un período de 4 años de registro de datos;

[0058] las figuras 3a y 3b ilustran ejemplos de histogramas de los tiempos transcurridos, respectivamente, por rango de estado de carga (SOC) y por rango de profundidad de descarga (DOD) de una batería durante un período de 7 días para secuencias representativas;

[0059] la figura 4 es un diagrama de flujo de las etapas del procedimiento de determinación de perfiles de solicitación eléctrica, según modos de realización de la invención, que constan de etapas opcionales.

[0060] Descripción detallada de la invención

[0061] En primer lugar, se hace un recordatorio de diferentes principios y definiciones conocidos en el campo de las baterías y que se retoman en el resto de la descripción.

[0062] El estado de carga (SOC) de una batería representa la cantidad de carga eléctrica almacenada q(t) con respecto a la capacidad actual C(t) y se expresa por la ecuación (1):

[0065]

[0067] El estado de carga de una batería se expresa en porcentaje y, habitualmente, varía entre el 0 %, que designa a una batería totalmente descargada (estado vacío) y el 100 %, que designa a una batería totalmente cargada (estado lleno). El nivel de estado de carga con mayor tiempo transcurrido influye en el envejecimiento de calendario y el envejecimiento de establecimiento de ciclos.

[0068] La profundidad de descarga (DOD) (acrónimo de "Depth Of Discharge" en inglés) de un ciclo, corresponde al porcentaje de la cantidad de carga retirada de la batería partiendo de un estado de carga dado. La profundidad de descarga con la que una batería se establece por ciclos influye en su envejecimiento de establecimiento de ciclos. Sistema de almacenamiento electroquímico por batería: es un sistema que contiene una o varias baterías capaces de acumular la energía eléctrica (en forma química) y de restituirla cuando se quiera. Existen dos tipos de sistemas de almacenamiento electroquímico por batería: los sistemas de almacenamiento por batería estacionarios y los sistemas de almacenamiento por batería a bordo.

[0069] El almacenamiento estacionario permite, en concreto, asegurar el equilibrio entre la producción y el consumo de electricidad, en una red de distribución eléctrica y, en particular, permite mitigar la variabilidad de la producción de las energías renovables (energía solar, eólica...). Por ejemplo, la electricidad producida en exceso durante una jornada muy soleada puede restituirse por la noche, cuando la demanda es más importante. El almacenamiento estacionario contribuye, igualmente, a garantizar la calidad de la red de distribución eléctrica, limitando las fluctuaciones causadas por la intermitencia de la producción de las energías renovables. Por último, el almacenamiento estacionario permite responder a las necesidades de los sitios aislados, difícilmente alimentados o no alimentados por las redes de distribución.

[0070] Los sistemas de almacenamiento por batería estacionarios son, principalmente, sistemas de almacenamiento a gran escala, de potencia media o fuerte (del orden de varios cientos de kilovatios (kW) a varias decenas de megavatios (MW=), que tienen elevadas energías (del orden de varios cientos de kilovatios-hora (kWh) a varias decenas de megavatios-hora (MWh)).

[0071] A la inversa, los sistemas de almacenamiento a bordo son de cantidad más pequeña de energía (de algunos vatioshora (Wh) a algunas decenas de kWh) y son de menor potencia (de algunos vatios (W) a algunos cientos de kW). Estos sistemas están dedicados a las aplicaciones móviles. Se utilizan esencialmente en el transporte, en particular, en los vehículos eléctricos e híbridos recargables y en los aparatos electrónicos portátiles (teléfonos, tabletas, ordenadores...).

[0072] La presente descripción se hace para un modo de realización del procedimiento de la invención aplicado al caso de sistemas de almacenamiento estacionarios, designados por el acrónimo BESS (para "Battery Energy Storage System" según el anglicismo establecido), que tienen baterías de iones de litio.

[0073] Sin embargo, el experto en la materia podrá aplicar los principios descritos a otros tipos de sistemas y para otras aplicaciones.

[0074] Un BESS es un sistema de almacenamiento estacionario a gran escala, generalmente, acoplado a una unidad de producción de energía renovable (energía solar, eólica...). El sistema comprende varias secciones de baterías, comprendiendo cada sección de baterías ensamblajes de baterías llamados "bastidores", comprendiendo cada bastidor una pluralidad de módulos conectados entre sí, ellos mismos constituidos por celdas electroquímicas ensambladas en serie y en paralelo.

[0075] Durante su utilización, el sistema de almacenamiento (ya sea estacionario o a bordo) está sometido a restricciones de su entorno denominadas "restricciones de terreno" y está sometido a condiciones de uso.

[0076] Las restricciones del entorno de terreno son, por ejemplo, la presencia de elementos de conexión y de elementos de protección, entre las celdas electroquímicas, entre las diferentes baterías de un bastidor, entre los diferentes bastidores de una sección de baterías (en el caso de un BESS). También pueden ser el resultado de la presencia de una carcasa alrededor de las celdas electroquímicas de cada batería, de la presencia de sistemas electrónicos de gestión, como un sistema de gestión de batería BMS ("Battery Management System" en inglés) y/o un sistema de gestión de energía EMS ("Energy Management System"). Estas restricciones relacionadas con el uso real del sistema de almacenamiento tienen una incidencia en el rendimiento del sistema, en concreto, en términos de resistencia interna (y, por lo tanto, de calentamiento y potencia), de capacidad y de vida útil.

[0077] Las propias condiciones de uso están definidas por diferentes parámetros, tales como los regímenes de carga y de descarga a los que se someten las celdas electroquímicas, las fases de establecimiento de ciclos y de reposo de las celdas electroquímicas y la temperatura ambiente. Estas condiciones de uso pueden ser diferentes entre las baterías que componen el sistema de almacenamiento, incluso entre las celdas electroquímicas de una misma batería (en lo que respecta a la temperatura).

[0078] Se entiende por "fases de establecimiento de ciclos" las fases durante las cuales las celdas electroquímicas del sistema de almacenamiento experimentan ciclos de carga y de descarga, es decir, las fases durante las cuales se utiliza el sistema de almacenamiento. En este caso, el sistema de almacenamiento se denomina "en modo por ciclos"

[0079] Se entiende por "fases de reposo" las fases durante las cuales las celdas electroquímicas del sistema de almacenamiento no están sometidas a solicitación. En este caso, el sistema de almacenamiento se denomina "en modo de calendario".

[0080] La figura 1 es un diagrama de flujo de las etapas del procedimiento 100 de determinación de perfiles de solicitación eléctrica según un modo de realización de la invención aplicado a un sistema BESS.

[0081] En una primera etapa 102, después de haber recuperado un historial de datos fiables de monitoreo ("monitoring" en inglés) del funcionamiento de un sistema BESS, el procedimiento permite calcular un número promedio de horas de operación del sistema.

[0082] Cabe señalar que la pertinencia de los resultados y, por lo tanto, del perfil de solicitación procedente del procedimiento 100, está relacionada con la calidad de los datos puestos a disposición y utilizados como entradas de un dispositivo que permite implementar las etapas del procedimiento de la invención.

[0083] Tal dispositivo (no ilustrado) comprende medios apropiados para recibir datos de entradas; para procesarlos según las diferentes etapas del procedimiento de la invención en todas sus variantes; y para presentar los resultados obtenidos en una forma disponible para su aprovechamiento (para parametrización de un modelo de envejecimiento, por ejemplo).

[0084] De este modo, tal dispositivo comprende al menos un módulo de recepción de datos configurado para recibir datos y, llegado el caso, adaptarlos (filtrarlos para retener datos fiables) para su procesamiento por un módulo de procesamiento de datos. El módulo de procesamiento de datos comprende un microprocesador para operar instrucciones de código de un programa de software que permiten efectuar las diferentes etapas del procedimiento de la invención. Los resultados obtenidos por el módulo de procesamiento de datos pueden adaptarse a una interfaz hombre-máquina para su aprovechamiento (en simulaciones de prueba de baterías, por ejemplo).

[0085] Los datos de entradas, que son un requisito previo para la implementación de las etapas del procedimiento, son, en concreto, un historial de datos operativos recopilados en un sistema de almacenamiento y correspondientes a datos de tensión U(t), de corriente I(t), de temperatura T(t), de estado de carga SOC(t).

[0086] La recopilación de datos corresponde a registros hechos de estos datos para un sistema de almacenamiento de energía por baterías (por ejemplo, estacionario BESS), durante una duración muy larga, de al menos varios meses a varios años.

[0087] Los datos iniciales de entradas pueden haber sido recopilados por uno o varios sistemas de gestión BMS asociado al BESS y haber sido almacenados en una base de datos dedicada 101 o filtrados de entre otros datos registrados en una base de datos más general de un sistema de gestión BMS.

[0088] En el caso en que los datos iniciales no presentan lagunas y que el conjunto de los módulos de la batería del sistema BESS está conectado permanentemente (es decir, no hay bastidor no operativo durante ciertos rangos de tiempo), los datos se consideran como fiables y el cálculo 102 del número de horas de operación del sistema (o el cálculo de un porcentaje de horas) se hace directamente sobre los datos iniciales recibidos.

[0089] De lo contrario (los datos presentan lagunas), se efectúa una etapa de limpieza o de filtrado de los datos recibidos para mejorar la calidad de los datos y los datos filtrados, correspondientes a un nuevo período, se utilizan para calcular el número de horas de operación.

[0090] La figura 4 ilustra etapas opcionales (402, 406, 410) del procedimiento 100 de la invención, que pueden realizarse independientemente unas de otras, de las cuales una etapa 402 de preparación de datos fiables. De este modo, el procedimiento de la invención puede realizarse según diferentes variantes que combinan etapas requeridas (figura 1) y una o varias etapas opcionales (ilustradas en punteados en la figura 4).

[0091] En un modo de realización, la etapa opcional 402 de limpieza de los datos iniciales consiste en elegir, durante el período del historial de los datos recibidos, un nuevo período de larga duración para la disponibilidad de datos. Este nuevo período largo puede responder a un criterio denominado "período con la menor cantidad de lagunas de datos", que puede significar ya sea un período que tiene la menor cantidad de subperíodos con ausencia de datos, ya sea un período en que hay la menor cantidad de datos no numéricos denominados (NaN), acrónimo de "Not a Number", según el anglicismo establecido para designar datos no válidos o datos no disponibles.

[0092] En efecto, la disponibilidad es un criterio que califica tres indicadores.

[0093] Un primer indicador trata sobre la correcta subida de datos (el hecho de que los datos sean válidos, es decir, sean datos numéricos) y sobre el hecho de que los valores de los datos estén en los límites de funcionamientos (es decir, ni demasiado grandes, ni demasiado escasos). Este indicador se caracteriza por una salida diaria de un parámetro designado, en el presente documento, como "Datos_horas". Datos fuera de límites no se tienen en cuenta en la estimación del parámetro Datos_horas.

[0094] Un segundo indicador es relativo al número de horas al día del funcionamiento operativo del sistema (fuera rangos de reposo "inactivo"). Este indicador se caracteriza por un parámetro designado, en el presente documento" como "Operación_horas". El valor del parámetro Operación_horas es, en principio, inferior o igual al valor del parámetro Datos_horas.

[0095] Un tercer indicador es relativo a la proporción de bastidores conectados para una jornada dada, designado, en el presente documento, por el parámetro "BastidoresDisponibles".

[0096] Volviendo a la etapa 102, los períodos de funcionamiento que se tienen en cuenta, para permitir determinar un perfil de solicitación representativo, deben tener un parámetro 'horas de operación' "Operación_horas" correspondiente a un promedio de las horas de operación de la totalidad del período de monitoreo del sistema de almacenamiento.

[0097] En caso de etapa 402 opcional de preparación, los períodos de funcionamiento que se tienen en cuenta, para determinar un perfil de solicitación representativo, deben, por lo demás, tener un parámetro "Datos_horas" maximizado y un parámetro "BastidoresDisponibles" maximizado.

[0098] Después de la etapa de cálculo de las horas de operación (el número de horas de operación en total fuera inactividad), ya sea en 102 sobre datos directamente fiables, ya sea en 404 después de una etapa 402 de preparación de datos fiables, el procedimiento permite, en una siguiente etapa 104, hacer un análisis de las estadísticas de uso de la batería durante la totalidad del período de datos.

[0099] El procedimiento de la invención puede efectuar, antes de la etapa 104, una etapa 406 opcional, que consiste en verificar si el indicador de estado de carga SOC que se ha recibido y que se había calculado por el sistema de gestión de la batería (BMS) es fiable.

[0100] La fiabilidad del valor de SOC se estima según una relación entre los valores de capacidad (amperios-hora Ah) de los acumuladores cargados y descargados y la diferencia de estado de carga entre el comienzo y el final de cada período de carga o de descarga. Si esta relación es lineal, el estado de carga proporcionado por el BMS se considera como fiable. Si no, el estado de carga proporcionado por el BMS no se considera como fiable y el procedimiento permite construir un estado de carga fiable, es decir, determinar un nuevo indicador que permite definir un estado de carga fiable.

[0101] En un modo de realización, se puede obtener un estado de carga SOC fiable por aplicación de un método de integración de los Ah completado con un método de recalibración. Se trata de un método convencional de cálculo del estado de carga de una batería. Se parte de un estado de carga dado (incluso por el BMS, incluido si se considere como no fiable). A continuación, se integra la corriente de la batería para obtener Ah, los Ah se dividen, a continuación, por la capacidad de la batería para obtener un estado de carga. A continuación, si el sistema detecta un momento propicio para una estimación fiable del estado de carga (por ejemplo, alcanzar una condición de carga completa o de descarga completa o un reposo lo suficientemente largo, etc...), el cálculo recalibra el estado de carga a un valor determinado por estas condiciones de recalibración. Puede encontrarse un ejemplo en la dirección http://liionbms.com/php/wp_soc_estimate.php, "State Of Charge estimate with Li-Ion batteries" por Davide Andrea.

[0102] Volviendo a la figura 1 y la etapa 104, el procedimiento permite hacer un análisis de las estadísticas de uso de la batería, con respecto a una duración acumulada.

[0103] La duración acumulada designa el tiempo transcurrido por intervalo de estado de carga (o de profundidad de descarga). El estado de carga de la batería se divide en una pluralidad de intervalos y el tiempo transcurrido en cada intervalo se acumula. La duración acumulada de cada intervalo se divide, a continuación, por la duración total del período, para obtener un valor de tiempo transcurrido.

[0104] De este modo, en la etapa 104, el procedimiento permite construir histogramas sobre la totalidad del período de recopilación, uno para los estados de carga SOC y otro para las profundidades de descarga DOD. Los histogramas se construyen a partir del historial de los datos recopilados, durante la totalidad del período de monitoreo (con datos iniciales fiables), esto es, durante un subperíodo (con datos filtrados, hechos fiables).

[0105] Se construye un primer histograma de uso para los tiempos acumulados transcurridos por intervalo para el estado de carga de la batería, correspondiente a estadísticas globales durante la totalidad del período considerado (período inicial o período recalculado).

[0106] La figura 2a muestra un ejemplo de un histograma de uso para tiempos acumulados transcurridos ("Time Spent" en ordenadas) por intervalo de estado de carga (SOC) de una batería para 10 intervalos, durante un período de 4 años. Puede destacarse, para este ejemplo, que la batería pasa la mayor parte del tiempo con escaso estado de carga.

[0107] El estado de carga para construir el histograma puede ser el proporcionado directamente por el BMS o un estado de carga reconstruido (etapa 406).

[0108] Se construye un segundo histograma de uso para los tiempos acumulados transcurridos por intervalo para la profundidad de descarga de la batería, correspondiente a estadísticas globales durante la totalidad del período considerado (período inicial o período recalculado).

[0109] La figura 2b muestra un ejemplo de un histograma de uso para tiempos acumulados transcurridos ("Time Spent" en ordenadas) por intervalo de profundidad de descarga (DOD) de una batería para 10 intervalos, durante un período de 4 años. Puede destacarse, para este ejemplo, que la batería pasa mucho tiempo en un estado inactivo (profundidad de descarga inferior al 10 %) y cuando se descarga, la mayor parte de los ciclos tienen una profundidad de descarga entre el 70 y el 80 %, luego, entre el 60 y el 70 %.

[0110] La profundidad de descarga se calcula por algoritmo, ya que no la da directamente el BMS. En un modo de realización, el algoritmo se basa en un método de conteo conocido, como, por ejemplo, el método de conteo "Rainflow".

[0111] El método de conteo Rainflow, desarrollado, en origen, en el campo de los materiales para estimaciones de fatiga cíclica, se utiliza, actualmente, en numerosas aplicaciones en que se puede observar un comportamiento cíclico, en concreto, en la eólica, las máquinas giratorias y la carga de las baterías. El método de conteo Rainflow consiste en emparejar los mínimos crecientes y los máximos decrecientes de una curva inicial y puede implementarse por numerosos algoritmos conocidos.

[0112] Para cada ciclo seleccionado, una cantidad de Ah descargada se estima por integración de la corriente. Luego, la cantidad de Ah estimada se divide por la capacidad nominal para calcular la profundidad de descarga del ciclo en cuestión.

[0113] Volviendo a la figura 1, el procedimiento permite, en una siguiente etapa 106, definir una duración de secuencia que sea representativa del uso de BESS en la aplicación dada.

[0114] Una duración de secuencias que es representativa del uso de BESS es, a menudo, igual a una jornada (24 h), pero pueden considerarse otras duraciones, según la aplicación para la que se utiliza.

[0115] La elección de la duración de secuencias puede ser progresiva. El procedimiento puede empezar verificando si un período corto (por ejemplo, una jornada para una aplicación de almacenamiento estacionario utilizado con un sistema solar), que se supone que puede ser representativo del uso de la batería, es válido y aumentar la duración hasta alcanzar una representatividad correcta.

[0116] Según variantes de realización, si una duración de secuencia de una jornada no es representativa, las duraciones de secuencias se pueden probar en duraciones de una semana.

[0117] Para determinar si una duración es representativa, el procedimiento permite establecer histogramas del SOC y de la DOD para todas las duraciones durante el período de recopilación de los datos. Por ejemplo, para una duración probada de 24 h para una recopilación de datos hecha durante un año, se establece un histograma de SOC (y de DOD) para todas las jornadas durante un año.

[0118] Si se identifican, en los histogramas, secuencias de la duración probada (por ejemplo, 24 horas) que presentan histogramas similares a los de la totalidad del período de recopilación de los datos, esta duración de secuencias se conserva.

[0119] Si no se identifican tales secuencias "similares", la duración de la secuencia se puede aumentar progresivamente, por ejemplo, por duración de 24 h pasando a 2 días, luego, a 3 días, etc., hasta encontrar secuencias con histogramas similares a los de la totalidad del período.

[0120] Cuando se determina una duración de secuencias representativa, el procedimiento permite recortar el período total de recopilación de los datos en una pluralidad n de secuencias de duración igual a la duración representativa. El procedimiento prosigue, a continuación, con una etapa 108, que consiste en hacer un análisis de las estadísticas de uso de la batería, en concreto, el análisis del SOC y de la DOD, para cada una de las secuencias de la pluralidad de las n secuencias temporales definidas.

[0121] El procedimiento permite, inicialmente, construir dos nuevos tipos de histogramas para hacer los análisis de estadísticas de uso.

[0122] Se construye un primer tipo de histograma para los tiempos acumulados transcurridos por intervalo para el estado de carga de la batería, durante la duración representativa definida.

[0123] La figura 3a muestra un ejemplo de un histograma de los tiempos acumulados transcurridos por intervalo para el estado de carga (SOC) de una batería, durante una duración de una semana, para una secuencia de entre las n secuencias identificadas.

[0124] Se construye un segundo tipo de histograma para los tiempos acumulados transcurridos por intervalo para la profundidad de descarga de la batería, durante la duración representativa definida.

[0125] La figura 3b muestra un ejemplo de un histograma de los tiempos acumulados transcurridos por intervalo para la profundidad de descarga (DOD) de una batería, durante una duración de una semana para una secuencia de entre las n secuencias identificadas.

[0126] De este modo, se construyen n histogramas para el estado de carga y n histogramas para la profundidad de descarga.

[0127] El análisis de las estadísticas de uso consiste, a continuación, en la siguiente etapa 110, para comparar los n histogramas de los tiempos acumulados transcurridos por intervalo para el estado de carga y la profundidad de descarga, con los histogramas establecidos para la totalidad del período de datos (período inicial o período recalculado) en la etapa 104.

[0128] El resultado de la comparación permite identificar, de entre la pluralidad de las n secuencias temporales, un subconjunto de m secuencias denominadas secuencias más cercanas, es decir, secuencias que están en niveles de tiempos transcurridos que son similares a los de la totalidad del período y, esto, en términos de intervalos de estado de carga y de intervalos de profundidad de descarga.

[0129] En una siguiente etapa 112, el procedimiento permite identificar, en la pluralidad de las m secuencias, secuencias representativas que son simétricas, es decir, secuencias que tienen un estado de carga final sea igual al estado de carga inicial.

[0130] Es importante que el estado de carga no derive en el tiempo (el perfil regresa a su punto de partida desde un punto de vista de su estado de carga). En efecto, el perfil de solicitación (representativo del uso real de la batería para una aplicación dada) va a deber repetirse para poder probar o simular el envejecimiento de la batería (es decir, la secuencia representativa se va a repetir en el tiempo para estimar la degradación según esta secuencia durante la duración).

[0131] En un modo de realización, la identificación de los períodos (o secuencias) simétricos se hace considerando el estado de carga al comienzo del período y al final del período.

[0132] En una variante de realización, la identificación de los períodos simétricos se hace considerando un ciclo simétrico sobre una parte del período representativo.

[0133] En otra variante de realización, la identificación de los períodos simétricos se hace reconstituyendo ciclos simétricos.

[0134] En un modo de realización, la reconstitución de ciclos simétricos se puede hacer convirtiendo el conjunto de las operaciones de carga y de descarga del período de medición en un conjunto equivalente de ciclos reconstituidos simétricos, incluyendo cada ciclo reconstituido simétrico una operación de carga y una operación de descarga de misma amplitud del indicador de estado de carga (una misma amplitud de carga o de descarga).

[0135] Los ciclos simétricos resultantes de esta conversión se denominan "reconstituidos", ya que proceden de una reorganización, con eventuales aproximaciones, de ciclos reales.

[0136] Para ciertas aplicaciones, cuyos ciclos de carga/descarga son simples y regulares, un algoritmo relativamente simple se encarga de esta conversión.

[0137] Para aplicaciones en que los ciclos de carga - de descarga son complejos e irregulares, se emplean algoritmos más sofisticados para la operación de conversión, como, por ejemplo, el método de conteo Rainflow.

[0138] En el marco de la presente invención, la conversión en ciclos reconstituidos simétricos se realiza emparejando los mínimos crecientes y los máximos decrecientes de las operaciones de carga y de descarga del período de medición.

[0139] Volviendo a la figura 1, la etapa 112 permite, por lo tanto, la selección de una pluralidad p de secuencias correspondientes a períodos simétricos, de entre la pluralidad de las m secuencias definidas en la etapa anterior 110.

[0140] Al final de la etapa 112, el procedimiento ha producido un conjunto equivalente de ciclos reconstituidos simétricos, relativos al período de medición.

[0141] De este modo, cada secuencia seleccionada corresponde a un perfil de estado de carga que es representativo del funcionamiento de la batería para la aplicación dada.

[0142] Sin embargo, dado que, para establecer ciclos en una batería, hay que aplicar perfiles de corriente o de potencia, el procedimiento permite, en una siguiente etapa 114, recuperar en la base de datos inicial, los perfiles de corriente o los perfiles de potencia correspondientes a las p secuencias seleccionadas.

[0143] Luego, el procedimiento permite calcular la diferencia punto por punto entre cada perfil de corriente (o de potencia) recuperado y un perfil promedio, luego, permite seleccionar un solo perfil (perfil final o perfil tipo) correspondiente al que tiene una diferencia mínima con el perfil promedio.

[0144] El perfil promedio se obtiene haciendo el promedio, para un transcurso de tiempo dado, entre las corrientes (o las potencias) de las p secuencias seleccionadas obtenidas anteriormente. En efecto, en la etapa 114, existen varios perfiles de corriente I=f(t) (o varios perfiles de potencia P= f(t)) y el perfil promedio se calcula tomando el promedio de I (o de P) para cada transcurso de tiempo.

[0145] La selección, en la etapa 114, del perfil de solicitación tipo, se puede hacer seleccionando el perfil que tiene la menor cantidad de diferencias con el perfil promedio, aplicando la siguiente ecuación (2):

[0148]

[0150] En un modo de realización, el procedimiento puede incluir una etapa opcional 410 después de la selección del perfil tipo, que consiste en escalar el perfil tipo y su adaptación frente a las especificaciones, límites de baterías o medios de prueba que se pretende utilizar.

[0151] En efecto, según los datos iniciales de monitoreo del BESS y en dimensionamiento de este, puede ser necesario adaptar el perfil de solicitación tipo procedente de la etapa anterior 114 para obtener 412 un perfil final a escala, que podrá utilizarse en un modelo de envejecimiento para la batería (o una muestra) que se desea probar. Esta adaptación se hace en función de las restricciones y de las limitaciones precisadas en la especificación de batería y/o en función de los medios de ensayos.

[0152] De este modo, por ejemplo, para ciertas baterías, las corrientes máximas de carga pueden ser diferentes de las corrientes máximas de descarga. Entonces, convendrá saturar el perfil de corriente con valores adecuados, en carga y en descarga, según estos límites.

[0153] El equilibrio del perfil en estado de carga podrá, entonces, mantenerse gracias a la aplicación de las siguientes ecuaciones (3) y (4):

[0155] y

[0158]

[0160] en el caso de una corriente máxima de carga que es inferior a la corriente máxima de descarga (caso que se encuentra convencionalmente).

[0161] Los parámetros de las ecuaciones (3) y (4) se definen como que son:

[0162] - Ah<car>: se trata de la acumulación de los Ah cargados (las fases del perfil para las cuales la corriente es positiva); - Ah<car_sat>se trata de la acumulación de los Ah cargados cuando la corriente se satura a un valor inferior a la corriente de carga del perfil inicial.

[0163] Aplicando el coeficiente K<f>al perfil de corriente de descarga I<descar>, se reduce su nivel proporcionalmente al perfil de corriente de carga saturada. El resultado obtenido es, de este modo, un perfil "equilibrado", es decir, que se carga tanto como se descarga, conservando al mismo tiempo la dinámica.

[0164] Este perfil se puede repetir cíclicamente sobre una muestra sin tener que definir un perfil de la duración de la prueba eléctrica deseado. En efecto, generalmente, los bancos de ensayos no permiten definir perfiles muy largos o definir perfiles sobre un número de puntos muy elevado.

[0165] En una variante de realización, el coeficiente de corrección Kf se puede aplicar únicamente sobre los ciclos necesarios, es decir, si hay saturación en carga, el coeficiente se aplica sobre la siguiente descarga del mismo ciclo (e, inversamente, si hay saturación en descarga). La detección de los ciclos se puede hacer mediante el método de conteo Rainflow.

[0166] En otra variante de realización, la corrección del perfil de SOC se hace aplicando un SOC inicial diferente.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de determinación de perfiles de solicitación para sistema de almacenamiento por batería, implementándose el procedimiento por ordenador y comprendiendo al menos etapas que consisten en:

- calcular (102) una duración de operación de un sistema de almacenamiento por batería, a partir de un historial de datos recopilados durante un período de monitoreo de dicho sistema, comprendiendo los datos al menos valores de corriente I(t), de temperatura T(t), de tensión U(t) y valores de estado de carga SOC;

- efectuar (104), para la duración de operación, análisis de estadísticas de uso de la batería en cuanto al estado de carga SOC y la profundidad de descarga DOD;

- recortar (106) dicha duración de operación en n secuencias temporales, siendo la duración de una secuencia representativa del funcionamiento de dicho sistema de almacenamiento para una aplicación dada;

- efectuar (108), para cada una de las n secuencias temporales, análisis de estadísticas de uso de la batería en cuanto al estado de carga SOC y la profundidad de descarga DOD;

- determinar (110), de entre las n secuencias temporales, una pluralidad m de secuencias que tienen estados de carga y profundidades de descarga comparables a estados de carga y profundidades de descarga para la duración de operación;

- determinar (112), de entre las m secuencias comparables, secuencias simétricas correspondientes a secuencias que tienen un estado de carga al final de período igual al estado de carga al comienzo de período; y

- seleccionar (114), de entre las secuencias simétricas, una secuencia representativa de un perfil de solicitación para dicho sistema de almacenamiento.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, que comprende una etapa inicial de filtrado de los datos, que consiste en determinar, durante el período de recopilación de los datos, un subperíodo de monitoreo, que corresponde ya sea a un período con la menor cantidad de lagunas de datos, ya sea en un período en que hay la menor cantidad de datos no numéricos.

3. El procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que la duración de operación corresponde a un promedio de las horas de operación durante el período de monitoreo de dicho sistema de almacenamiento.

4. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la etapa de análisis de estadísticas para la duración de operación se hace sobre histogramas del tiempo transcurrido por intervalo de estado de carga y sobre histogramas del tiempo transcurrido por intervalo de profundidad de descarga.

5. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la etapa de análisis de estadísticas para cada una de las n secuencias temporales se hace sobre histogramas, para cada una de las n secuencias, del tiempo transcurrido por intervalo de estado de carga y sobre histogramas, para cada una de las n secuencias, del tiempo transcurrido por intervalo de profundidad de descarga.

6. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende una etapa inicial que consiste en verificar la fiabilidad de los valores de estado de carga y, si es necesario, una etapa que consiste en calcular un estado de carga fiable.

7. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende una etapa que consiste en calcular valores de profundidad de descarga.

8. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la etapa de seleccionar una secuencia representativa de un perfil de solicitación para dicho sistema de almacenamiento, consiste en: -recuperar perfiles de corriente o perfiles de potencia correspondientes a las secuencias simétricas; - calcular una diferencia punto por punto entre cada perfil de corriente o de potencia recuperado y un perfil promedio; y -seleccionar un perfil que corresponde al que tiene una diferencia mínima con el perfil promedio.

9. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende, por lo demás, una etapa que consiste en escalar el perfil de solicitación seleccionado como perfil representativo.

10. Programa de ordenador que incluye instrucciones de código para la ejecución de las etapas del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, cuando dicho programa se ejecuta por un procesador.

11. Un dispositivo de determinación de perfiles de solicitación para sistema de almacenamiento por batería, que comprende medios para implementar las etapas del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.

12. El dispositivo según la reivindicación 11, en el que el sistema de almacenamiento es estacionario, preferentemente un sistema de almacenamiento por baterías "BESS".

13. El dispositivo según la reivindicación 12, en el que el sistema de almacenamiento incluye al menos una batería de iones de litio.

14. Dispositivo para simular el envejecimiento de las baterías de un sistema de almacenamiento por batería, comprendiendo el dispositivo al menos un procesador para ejecutar un modelo de envejecimiento de batería, así como un segundo dispositivo de determinación de perfiles de solicitación según la reivindicación 11, aplicándose dicho modelo en función de un perfil de tensiones determinado por dicho segundo dispositivo, obteniéndose, por lo tanto, dicho perfil por el procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.