Procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica.

Procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica (1) que comprende una pluralidad de elementos (2) generadores de energía eléctrica,

dicho procedimiento prevé utilizar un sistema de acondicionamiento térmico que comprende una cámara que contiene un fluido de intercambio térmico con dichos elementos, dicho sistema comprende además un dispositivo de puesta en circulación (4) de dicho fluido en dicha cámara y al menos un dispositivo de acondicionamiento térmico (8, 9) de dicho fluido, dicho procedimiento prevé, durante la recarga de la batería (1) sobre una fuente eléctrica externa, acondicionar previamente dicha batería a una temperatura media T0 y, durante la utilización de dicha batería, determinar:

- la diferencia ΔT1 entre les temperaturas del elemento (2) el más caliente y del elemento (2) el más frío ;

- el valor absoluto ΔT2 de la diferencia entre la temperatura T0 y la temperatura media T de dicha batería ;

dicho procedimiento prevé :

- cuando la diferencia ΔT1 es inferior a una primera consigna C1, desactivar el dispositivo de puesta en circulación (4) así como el o los dispositivos de acondicionamiento térmico (8, 9) ;

- cuando la diferencia ΔT1 es superior a la primera consigna C1 o cuando la diferencia ΔT2 es superior a una segunda consigna C2, activar el dispositivo de puesta en circulación (4) del fluido :

• manteniendo desactivado(s) el o los dispositivos de acondicionamiento térmico (8, 9) si la diferencia ΔT2 es inferior a la segunda consigna C2 ;

• activando al menos un dispositivo de acondicionamiento térmico (8, 9) si la diferencia ΔT2 es superior a la segunda consigna C2.

Procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica.

La invención se relaciona con un procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica destinada específicamente para la tracción de un vehículo automotriz eléctrico o híbrido, es decir, que comprende un motor eléctrico de accionamiento de las ruedas motrices combinado con un motor térmico de accionamiento de estas ruedas o eventualmente de otras ruedas motrices.

En particular, la invención se aplica para un grado de hibridación alto de los vehículos térmicos que puede llegar hasta la completa electrificación de la cadena de tracción. En este caso, las baterías no se usan solamente para asistir a los vehículos en la fase de aceleración sino para asegurar igualmente el desplazamiento del vehículo de forma autónoma a distancias más o menos importantes.

La batería eléctrica puede encontrar también aplicación en otros campos técnicos, por ejemplo, para el almacenamiento de energía eléctrica en otros modos de transporte, en particular en la aeronáutica. Por otra parte, en aplicaciones estacionarias tales como para las máquinas eólicas, la gestión térmica de una batería de acuerdo con la invención puede igualmente ser utilizada de forma ventajosa.

Para garantizar los niveles de potencia y/o de energía requeridos para las aplicaciones consideradas, es necesario crear baterías que tengan una pluralidad de elementos generadores de energía eléctrica que se puedan montar en serie.

Clásicamente, los elementos generadores comprenden al menos una celda electroquímica, por ejemplo de tipo Litio – ión o Litio – polímero, que se forma por un apilamiento de capas activas eléctricamente que actúan como cátodos y ánodos sucesivamente, dichas capas se ponen en contacto por medio de un electrólito Sin embargo, cuando estos elementos se cargan y descargan, da como resultado una producción de calor que, cuando no se controla, puede tener como efecto la disminución de la duración de vida de los elementos, e incluso dar lugar en condiciones extremas a riesgos de aceleración térmica para algunas composiciones químicas de celdas, lo que conduce al deterioro de la batería.

Así, para optimizar la seguridad, el rendimiento y la duración de vida de las baterías, los sistemas de acondicionamiento térmico de los elementos se integran en las baterías, para mantener la temperatura de dicha batería a un nivel de temperatura óptima.

Además, en la aplicación automotriz prevista, la eficacia de estos sistemas debe ser importante ya que los picos de disipación térmica son función de las densidades de corriente y de sus variaciones que pueden alcanzar valores muy elevados, en particular durante fases de fuertes aceleraciones, de frenados regenerativos, de recargas rápidas de la batería o de funcionamiento en autopistas en modo eléctrico. Por otra parte, las baterías de alta energía, que utilizan elementos de gran espesor cuya relación entre las superficies de intercambio y el volumen que produce el calor es reducida, deben por esto ser enfriadas de forma particularmente eficaz.

En particular, los sistemas de acondicionamiento térmico pueden comprender una cámara formada esencialmente alrededor de los elementos generadores, en la cual circula un fluido de intercambio térmico con dichos elementos. Además, para asegurar el acondicionamiento térmico, los sistemas conocidos comprenden un dispositivo de calentamiento y/o un dispositivo de enfriamiento del fluido en circulación. Así, acondicionando térmicamente el fluido y haciendo circular un flujo continuo de dicho fluido alrededor de los elementos, puede realizarse el acondicionamiento térmico de la batería.

Sin embargo, esta estrategia de gestión térmica lleva a la aparición de un gradiente térmico dentro de los elementos, cuya amplitud es grande en las baterías de alta energía ya que ella depende además:

• de la diferencia de temperaturas entre el fluido y los elementos ;

• del espesor de los elementos ;

• de las propiedades de conducción térmica entre el corazón de los elementos y el fluido ;

• de la potencia térmica que se desprende de los elementos en uso.

Ahora bien, cuando se hace demasiado grande, este gradiente de temperatura provoca un desequilibrio térmico de los elementos que provoca un riesgo para la seguridad y la duración de vida de la batería. En efecto, las capacidades y resistencias internas locales dentro de los elementos dependen de la temperatura local de estos. La electroquímica de los elementos puede, por tanto, ser exigida de manera diferente, una sobre-exigencia local podría conducir a una aceleración de los fenómenos de envejecimiento.

Además, el acondicionamiento térmico de la batería consume una parte importante de la energía eléctrica almacenada en el vehículo. Este aumento del consumo de energía provoca una pérdida de autonomía de los vehículos eléctricos. Para conservar la autonomía a la que aspira la aplicación, puede ser necesario compensar este aumento del consumo con un sobredimensionamiento de la batería, lo cual no es rentable desde un punto de vista puramente económico.

Por otra parte, los elementos de batería Li-ión de alta densidad energética presentan resistencias internas que son muy sensibles a la temperatura. Esta particularidad hace que si se desea preservar la autonomía y el rendimiento de las baterías para vehículos eléctricos en tiempo frío, es necesario calentarlas por medio del sistema de acondicionamiento térmico. Este calentamiento puede ser también una fuente de consumo de energía en las fases de rodaje.

Finalmente, el aumento del tamaño de los elementos para obtener una batería de alta densidad energética puede ser visto como una puesta en paralelo de varios apilamientos electro activos elementales. En caso de fuertes demandas de corriente, la corriente toma preferentemente el camino de menos resistencia, el equilibrado de las resistencias entre cada rama elemental puesta en paralelo se hace primordial.

Estas diferencias de resistencia interna pueden inducir a una sobreconcentración local de la corriente que provoca una caída del potencial dentro de un elemento. Esta caída no se puede detectar por una medición de la tensión global del elemento, y esto resulta en el riesgo de atravesar localmente un umbral de tensión « peligroso » para la electroquímica de dicho elemento. El documento EP 1906 483 A1 describe un sistema de gestión térmica de una batería eléctrica.

La invención apunta a resolver los problemas de la técnica anterior proponiendo en particular un procedimiento de gestión térmica de una batería que permite limitar el consumo eléctrico necesario para su acondicionamiento térmico asegurando una excelente homogeneidad térmica dentro de dicha batería, de manera de aumentar su autonomía, su duración de vida y su seguridad de funcionamiento.

A este efecto, la invención propone un procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica que comprende una pluralidad de elementos generadores de energía eléctrica, dicho procedimiento prevé utilizar un sistema de acondicionamiento térmico que comprende una cámara que contiene un fluido de intercambio térmico con dichos elementos, dicho sistema comprende además un dispositivo de puesta en circulación de dicho fluido en dicha cámara y al menos un dispositivo de acondicionamiento térmico de dicho fluido, dicho procedimiento prevé, durante la recarga de la batería sobre una fuente eléctrica externa, acondicionar previamente dicha batería a una temperatura media T0 y, durante la utilización de dicha batería, determinar :

• la diferencia ΔT1 entre les temperaturas del elemento el más caliente y del elemento el más frío ;

• el valor absoluto ΔT2 de la diferencia entre la temperatura T0 y la temperatura media T de dicha batería ;

• dicho procedimiento prevé :

• cuando la diferencia ΔT1 es inferior a una primera consigna C1, desactivar el dispositivo de puesta en circulación así como el o los dispositivos de acondicionamiento térmico ;

• cuando la diferencia ΔT1 es superior a la primera consigna C1 o cuando la diferencia ΔT2 es superior a una segunda consigna C2, activar el dispositivo de puesta en circulación del fluido :

o manteniendo desactivado (s) el o los dispositivos de acondicionamiento térmico si la diferencia ΔT2 es inferior a la segunda consigna C2 ;

o activando al menos un dispositivo de acondicionamiento térmico si la diferencia ΔT2 es superior a la segunda consigna C2.

Otras particularidades y ventajas de la... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica (1) que comprende una pluralidad de elementos (2) generadores de energía eléctrica, dicho procedimiento prevé utilizar un sistema de acondicionamiento térmico que comprende una cámara que contiene un fluido de intercambio térmico con dichos elementos, dicho sistema comprende además un dispositivo de puesta en circulación (4) de dicho fluido en dicha cámara y al menos un dispositivo de acondicionamiento térmico (8, 9) de dicho fluido, dicho procedimiento prevé, durante la recarga de la batería (1) sobre una fuente eléctrica externa, acondicionar previamente dicha batería a una temperatura media T0 y, durante la utilización de dicha batería, determinar:

- la diferencia ΔT1 entre les temperaturas del elemento (2) el más caliente y del elemento (2) el más frío ;

- el valor absoluto ΔT2 de la diferencia entre la temperatura T0 y la temperatura media T de dicha batería ;

dicho procedimiento prevé :

- cuando la diferencia ΔT1 es inferior a una primera consigna C1, desactivar el dispositivo de puesta en circulación (4) así como el o los dispositivos de acondicionamiento térmico (8, 9) ;

- cuando la diferencia ΔT1 es superior a la primera consigna C1 o cuando la diferencia ΔT2 es superior a una segunda consigna C2, activar el dispositivo de puesta en circulación (4) del fluido :

• manteniendo desactivado (s) el o los dispositivos de acondicionamiento térmico (8, 9) si la diferencia ΔT2 es inferior a la segunda consigna C2 ;

• activando al menos un dispositivo de acondicionamiento térmico (8, 9) si la diferencia ΔT2 es superior a la segunda consigna C2.

2. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de acondicionamiento comprende un dispositivo (8) de calentamiento del fluido.

3. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el sistema de acondicionamiento comprende un dispositivo (9) de enfriamiento del fluido.

4. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque prevé, en el caso donde la diferencia ΔT2 es superior a la segunda consigna C2, la activación del dispositivo de calentamiento (8) - respectivamente de enfriamiento (9) - cuando la temperatura T es inferior - respectivamente superior - a la temperatura T0.

5. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la segunda consigna C2 presenta un primer valor C2c más allá del cual se activa el dispositivo de calentamiento (8) y un segundo valor C2f más allá del cual se activa el dispositivo de enfriamiento (9) .

6. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque el dispositivo de enfriamiento comprende un intercambiador térmico (9) , la desactivación - respectivamente la activación – de dicho dispositivo se realiza por derivación – respectivamente alimentación - de la circulación del fluido en el intercambiador.

7. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la temperatura del fluido se mide para determinar la temperatura media T de la batería (1) .

8. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la temperatura T0 de acondicionamiento previo se establece entre 15 y 30°C.

9. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la primera consigna C1 se establece entre 2 y 5°C.

10. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la segunda consigna C2 se establece en función del estado de carga SOC de la batería (1) .

11. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la ley de establecimiento de la segunda consigna C2 es decreciente en función del estado de carga SOC.

12. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la ley de establecimiento se escribe bajo la forma :

C2 = C0 - a (SOC) - b (SOC) 2, SOC varía entre 0 y 1 en función del estado de la carga de la batería (1) , a y b son parámetros establecidos en función de las características de la batería (1) , C0 es una consigna 5 máxima.

13. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la consigna máxima C0 es igual o del orden de a + b.

14. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado

porque el dispositivo de circulación (4) , solo o en asociación con un dispositivo de acondicionamiento (8, 9) , se 10 activa durante el acondicionamiento térmico previo de la batería (1) .

15. Procedimiento de gestión térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el sistema de acondicionamiento se dispone para asegurar un acondicionamiento térmico en paralelo de cada uno de los elementos (2) .

FIGURA ÚNICA