PROCEDIMIENTO DE CARGA EQUILIBRADA DE UNA BATERIA DE ION LITIO O POLIMERO DE LITIO.

Procedimiento de cargado equilibrado de n celdas, con n =q 2 constitutivos de una batería ión-litio o polímero de litio y asociadas en serie,

estando compuesta cada celda de un elemento o de varios elementos montados en paralelo, procedimiento caracterizado porque, para cada operación de carga, consiste en realizar, de manera continua o cíclica a partir de un instante (t1) posterior al inicio de la operación de carga y hasta el fin normal o la interrupción anticipada de esta operación, una vigilancia de los niveles de carga de las diferentes celdas (1), y para efectuar, en función de la evaluación previa de los dichos niveles de carga, sea una alimentación uniforme de todas las celdas (1), sea un equilibrio de los dichos niveles de carga de las dichas celdas (1) que alimentan estas últimas de manera diferenciada en función de sus niveles de carga corrientes y porque consiste en conectar para cada celda (1) de la batería, las unas después de las otras, de manera secuencial, durante una duración fraccionada del tiempo total de carga de la batería (2), de las secuencias que comprenden una evaluación renovada del nivel de la carga de la celda (1) considerada, seguida, en función de su nivel de carga y con respecto al conjunto de los niveles de carga de las otras celdas (1) de la batería, de una alimentación uniforme o diferenciada, siguiendo ésta un ciclo repetitivo a todo lo largo de la operación de carga

Procedimiento de carga equilibrada de una batería de ión litio o polímero de litio.

La presente invención se relaciona con el dominio del cargado o de la carga de baterías recargables, y tiene por objeto un procedimiento de cargado o de carga equilibrada, en el tiempo, de celdas de una batería de ión litio o polímero de litio.

El cargado eléctrico optimizado de baterías que comprenden varias celdas constitutivas expone problemas difíciles de resolver, particularmente cuando el número de elementos o de celdas colocadas en serie es elevado.

Las patentes GB 2372645 y US 5773959 describen un dispositivo de recarga de pilas de litio que comprenden un sistema de control de carga de las celdas.

En el caso de una batería ión-litio o polímero de litio, se añaden a estos problemas de optimización de la carga los diferentes elementos o celdas, los riesgos de deterioro irremediables de los dichos elementos o de las dichas celdas en caso de sobrecarga, particularmente por sobrecalentamiento o sobretensión.

Es conocido, por un lado, que en las baterías que utilizan elementos ión-litio o polímero de litio en serie los comportamientos en capacidad de cada elemento o celda después de la carga no son idénticos y que sus diferencias se acrecientan de ciclo en ciclo de carga y de descarga hasta el fin de vida de la batería concerniente.

Se sabe, de otro lado, que las baterías ión litio y polímero de litio no aceptan sobrecarga en la ocasión de carga, ni baja carga en la ocasión de utilización (descarga). El valor de tensión máximo retenido, a título de ejemplo y no limitativo, para la sobrecarga para cada uno de los elementos de una batería ión litio y polímero de litio en serie es de 4,20 voltios y la tensión retenida para detener la descarga, y evitar así la degradación de la batería, es de 2,70 voltios.

Se sabe igualmente que, para cada uno (a) de los elementos o celdas de ión litio o polímero de litio, la tensión en los bornes del elemento o de la celda es la imagen de la capacidad almacenada en el elemento o la celda considerada. Esta indicación de tensión no da el valor preciso de la capacidad en amperio/hora o en vatio/hora, pero da un porcentaje de la capacidad del elemento considerado en el momento de la medida de esta tensión.

La figura 1 de los dibujos anexos representa una curva que muestra la evolución de la tensión en los bornes de un elemento ión litio con respecto a su capacidad (tratándose de una curva de descarga con corriente constante, el tiempo es proporcional al porcentaje de la capacidad almacenada en el elemento ión litio considerado con: 0 seg Rightarrow 95% (4,129 voltios), 6 150 segundos Rightarrow 50% (3,760 voltios) y 12300 segundos Rightarrow 0% (3,600 voltios). Se hace resaltar que sobre una parte importante de esta curva, la capacidad es casi lineal antes de degradarse rápidamente. Para controlar las operaciones de carga y descarga de un elemento o de una celda ión litio, se opera en la parte casi lineal lo que permite afirmar que la tensión es la imagen de la capacidad.

Teniendo en cuenta estas indicaciones desarrolladas en los tres puntos precedentes, se puede verificar que, en una batería constituida de más de tres a cuatro elementos ión litio o polímero de litio en serie, la carga de la batería será suspendida cuando el elemento el más cargado haya alcanzado 4,20 voltios y, inversamente, que durante la descarga, se va a detener éste cuando el elemento de menor capacidad haya alcanzado la tensión de 2,70 voltios: por lo tanto es el elemento quien tiene la capacidad más débil quien determina la capacidad global de la batería. Esto permite comprender que, cuando la batería tiene un número importante de elementos en serie, el riesgo de no aprovechar la totalidad de la capacidad de la batería es real, puesto que es éste el elemento menos capacitado el que determina de manera limitativa la capacidad total de la batería. Además, este fenómeno se agrava con la acumulación de los ciclos cargas/descargas.

Este fenómeno de desequilibrio de carga es esencialmente provocado por las diferencias de capacidad y de resistencia interna entre los elementos constitutivos de la batería, resultando estas diferencias de la variación de la calidad de fabricación de los elementos ión litio o polímero de litio.

Con el fin de optimizar la capacidad de la batería en el tiempo, lo que es muy importante para los costos de explotación, hay que remediar el problema anotado precedentemente realizando, antes de la detención de la carga, una compensación de todos los elementos o de todas las celdas de la batería. Esta compensación deberá permitir una carga al 100% de todos los elementos cualquiera que sea su capacidad.

En la práctica del estado de la técnica actual, esta compensación se hace al final de la carga, derivando la corriente de carga del elemento cargado al 100%, es decir cuando éste alcance una tensión de 4,20 voltios. Así, los elementos son detenidos a medida que se alcanza 4,20 voltios y se obtiene así una carga al 100% de todos los elementos al final de la operación de carga.

Pero esta técnica conocida de compensación al final de la carga presenta notables inconvenientes.

Así, estos sistemas de compensación necesitan resistencias de potencia importantes para poder disipar las corrientes consecuentes, y esto más aún cuando el sistema de compensación entra en acción cuando las corrientes de carga son incluso importantes, es lo que se produce cuando los elementos de la batería están muy descompensados.

Además, esta fuerte disipación de potencia implica una elevación consecuente de la temperatura, que puede ser molesto en el caso de baterías compactas que integran las resistencias de derivación.

Además, puede suceder que, a pesar de la inyección de corrientes de carga importantes hacia el fin de la operación de carga, la batería no esté equilibrada cuando la condición del fin de carga sea alcanzada.

Por otro lado, es necesario igualmente resaltar que las baterías ión-litio o polímero de litio que pueden averiarse potencialmente de forma peligrosa peligrosamente al final de la carga, teniendo en cuenta su naturaleza y la cantidad de energía almacenada, estando las celdas prácticamente cargadas en su nivel máximo.

En efecto, la aplicación de corrientes de cargas en este estado y en esta situación, para equilibrar las celdas en retarda de carga, implica una sobrecarga de los elementos involucrados, que puede terminar con la exposición de estas últimas en los casos extremos.

Finalmente, la aplicación de corrientes de carga de fuerte intensidad acelera el envejecimiento de las celdas de la batería y por lo tanto su eficiencia.

Por otra parte, en las aplicaciones de fuerte potencia, los tiempos de recarga de la batería, particularmente de recarga completa, son largos, ciertamente muy largos. Sucede entonces frecuentemente que el tiempo de carga efectivo entre dos fases de descarga sea demasiado corto para terminar la operación de carga, y la carga sea entonces interrumpida mientras que los desequilibrios entre elementos o celdas no sean entonces compensados (en caso de presencia de un sistema de compensación al fin de la carga o al final de la carga según el estado de la técnica). La repetición de este fenómeno implica igualmente una degradación rápida de la eficiencia de las baterías involucradas.

La presente invención tiene por meta proponer una solución de carga optimizada, presentando las ventajas precitadas y superando los inconvenientes mencionados precedentemente en vista del estado de la técnica existente.

Para este efecto, la invención tiene por objeto un procedimiento de cargamento equilibrado de n celdas, con n =q 2, constitutivos de una batería ión litio o polímero de litio y asociadas en serie, estando cada célula compuesta de un elemento o de varios elementos montados en paralelo, siendo este procedimiento caracterizado porque para cada operación de carga, consiste en realizar de manera continua o cíclica, a partir de un instante posterior al inicio de la operación de carga concerniente y hasta el fin normal o la interrupción anticipada de esta operación, una vigilancia de los niveles de carga de las diferentes celdas, y para efectuar, en función de la evaluación previa de los dichos niveles de carga, ya sea una alimentación uniforme de todas las celdas, o sea un reequilibrado de los dichos niveles de carga de las dichas células alimentando estas últimas de manera diferenciada...

1. Procedimiento de cargado equilibrado de n celdas, con n =q 2 constitutivos de una batería ión-litio o polímero de litio y asociadas en serie, estando compuesta cada celda de un elemento o de varios elementos montados en paralelo, procedimiento caracterizado porque, para cada operación de carga, consiste en realizar, de manera continua o cíclica a partir de un instante (t1) posterior al inicio de la operación de carga y hasta el fin normal o la interrupción anticipada de esta operación, una vigilancia de los niveles de carga de las diferentes celdas (1), y para efectuar, en función de la evaluación previa de los dichos niveles de carga, sea una alimentación uniforme de todas las celdas (1), sea un equilibrio de los dichos niveles de carga de las dichas celdas (1) que alimentan estas últimas de manera diferenciada en función de sus niveles de carga corrientes y porque consiste en conectar para cada celda (1) de la batería, las unas después de las otras, de manera secuencial, durante una duración fraccionada del tiempo total de carga de la batería (2), de las secuencias que comprenden una evaluación renovada del nivel de la carga de la celda (1) considerada, seguida, en función de su nivel de carga y con respecto al conjunto de los niveles de carga de las otras celdas (1) de la batería, de una alimentación uniforme o diferenciada, siguiendo ésta un ciclo repetitivo a todo lo largo de la operación de carga.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque consiste en conectar para cada célula (19 de la batería, unas después de las otras, de forma secuencial, durante una duración fraccionaria del tiempo total de carga de la batería 82), secuencias que comprenden una evaluación renovada del nivel de la carga de la célula (1) considerada, seguida, en función de su nivel de carga y en relación con el conjunto de los niveles de carga de otras células (1) de la batería, de una alimentación uniforme o diferenciada, la cual sigue un ciclo repetitivo a partir del instante T₁) y todo a lo largo del desarrollo consecutivo de la operación de carga.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende al menos la ejecución de las operaciones siguientes bajo la gestión de una unidad de tratamiento numérico 3, y éste desde el inicio del instante (t₁):

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque el parámetro medido al nivel de cada celda (1) y utilizado para la evaluación de la cantidad de energía almacenada en ésta, es la tensión en los bornes de la celda (1) considerada.

5. Procedimiento según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, caracterizado porque la derivación de corriente al nivel de la o de las celdas (1) las más avanzadas en cargarse se realiza por medio de circuitos de derivación (4) asociados cada uno, por un montaje en paralelo a una de las dichas celdas (1) integrando los dichos circuitos (4) cada uno un órgano de conmutación (5) y, en el caso dado, al menos un compuesto de disipación de energía (6), eventualmente regulable, tal como por ejemplo una resistencia eléctrica.

6. Procedimiento según las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque el cargado con compensación secuencial consiste más precisamente en realizar, a partir del instante (t₁) y repitiéndolas todo a lo largo de la carga de la batería (2), las siguientes operaciones:

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la carga de la batería (2) es detenida normalmente cuando la intensidad de la corriente de carga global del conjunto de las celdas (1) de ésta última desciende por debajo de un valor de umbral predefinido, por ejemplo a 50 mA.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque la tensión en los bornes de cada celda (1) es medida de manera precisa por un conjunto (7) de módulos de medida (7') correspondientes, cuyos signos de salida son transmitidos, ventajosamente después de la numerización, con la unidad de tratamiento numérico (3), comandando éste último, en el ciclo siguiente, los órganos de conmutación (5) de los diferentes circuitos de derivación (4) en función de la evolución comparativa de los dichos signos de salida provistos por los módulos (7').

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque las operaciones son repetidas a partir del instante (t₁) y durante toda la operación de carga, en tanto que el bucle ciclo formado de dos semiciclos operacionales, ejecutados sucesivamente en cada buclaje de ciclo, un primer ciclo que comprende la ejecución consecutiva de las operaciones siguientes: lectura sucesiva de las tensiones de las diferentes celdas (1) y la desonección defasada en el tiempo, de la resistencia de compensación (6) para cada celda (1) en donde la diferencia de tensión (dV) con la celda (1) la más retardada en cargarse del ciclo precedente es superior a un valor de umbral (dVs), y el segundo semiciclo que comprende las operaciones siguientes: desconexiones sucesivas de las resistencias de compensación (6) de las diferentes celdas (1) y alcance de la estabilización de las tensiones de las diferentes celdas (1) antes de su lectura durante el primer semiciclo del ciclo siguiente, los dos semiciclos que presentan preferencialmente las duraciones sensiblemente similares, por ejemplo de aproximadamente 2s.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el valor de umbral de diferencia de tensión (dVs) consiste en un primer valor fijo predeterminado (V1), por ejemplo 10 mV, si la diferencia de tensión (dV) entre la tensión de la celda (1) que presenta la tensión la más elevada y la tensión de la celda (1) que presenta la tensión la más débil es inferior a un segundo valor fijo predeterminado (V2), superior al primer valor de umbral predeterminado (V1), por ejemplo 100 mV.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque, si la diferencia de tensión (dV) entre la tensión de la celda (1) que presenta la tensión la más elevada y la tensión de la celda (1) que presenta la tensión la más débil es superior a un segundo valor fijo predeterminado (V2), por ejemplo 100 mV, el valor de umbral de diferencia de tensión (dVs) consiste en un tercer valor fijo predeterminado (V3) inferior al dicho segundo valor (V2), por ejemplo 30 mV.

12. Procedimiento según las reivindicaciones 10 y 11, caracterizado porque el tercer valor fijo predeterminado (V3) es superior al dicho primer valor fijo predeterminado (V1).

13. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el valor de umbral de diferencia de tensión (dVs) corresponde a una fracción dada de la diferencia de tensión (dV), medida durante el ciclo precedente entre la tensión de la celda (1) presentando la tensión más elevada que la tensión de la celda (1) presentando la tensión más débil, si durante el ciclo en curso la dicha diferencia de tensión (dV) es incluso superior a un cuarto valor fijo predeterminado (V4), por ejemplo 10 mV.

14. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque las medidas de tensión al nivel de las diferentes celdas (1) no son efectuadas más que después del transcurso de un retraso dado, por ejemplo dos segundos, seguido con la supresión de las derivaciones de corriente, de manera que autoricen una estabilización de las tensiones en los bornes de las dichas celdas (1).

15. Procedimiento según la reivindicación 4 o una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 14 tomadas en combinación con la reivindicación 5, caracterizado porque las potencias de los diferentes circuitos de derivación (4) son escogidos próximos a los valores provistos por la fórmula:

en la cual:

16. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 15, caracterizado porque consiste, al inicio, antes del arranque de la ejecución de operaciones, en medir la tensión de vacío (Vo) de un cargador (8) ramificado sobre la batería (2) en vista de su carga y en detener el dicho proceso de cargado, con la eventual desconección de una alarma correspondiente y/o la representación visual de un mensaje, si la dicha tensión en vacío (Vo) es superior a [n x tensión máxima admisible (Vmax) para cada celda (1)].

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 9 a 16, caracterizado porque consiste antes de la ejecución de un siguiente bucle, en verificar si una al menos de las celdas (1) de la batería (2) presenta en sus bornes una tensión superior a la tensión máxima admisible (Vmax) y, en el caso afirmativo, en interrumpir el procedimiento de cargado, eventualmente con desconección de una alarma correspondiente y/o la representación visual de un mensaje.

18. Dispositivo para la aplicación del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque está esencialmente constituido, de una parte, por un conjunto (7) de módulos (7') de medida de la tensión asociados cada uno a una de las celdas (1) en serie que forman la batería (2) y que miden las tensiones en los bornes de ésta, de otra parte, por una pluralidad de circuitos de derivación (4) montados cada uno en paralelo en los bornes de una celda (1) que corresponde y que puede cada una ser abierta o cerrada selectivamente, y, finalmente por una unidad (3) de tratamiento numérico y de gestión del procedimiento, recibiendo la dicha unidad (3) los signos de medida del dicho conjunto (7) de los módulos de medida de la tensión (7') y que comanda el estado [cerrado/abierto] de cada circuito de derivación (4).

19. Dispositivo según la reivindicación18, caracterizado porque cada circuito de derivación (4) comprende un órgano de conmutación (5), formando un interruptor y cuyo estado está comandado por la unidad de tratamiento numérico (3) y, si llega el caso, al menos un componente (6) de disipación de energía eléctrica, tal como por ejemplo una o varias resistencias.

20. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 18 y 19, caracterizado porque el conjunto (7) de los módulos (7') de medida de la tensión comprende, de una parte, n módulos analógicos (7') de medida de la tensión, asociado cada uno directamente a una celda (1) de la batería (2) de una parte, a un circuito multiplexor (9) cuyas entradas están conectadas a las salidas de los dichos módulos (7') y, finalmente, un circuito convertidor analógico/numérico (10) unido a la entrada y a la salida del circuito multiplexor (9) y en salida a la unidad de tratamiento numérico y de gestión (3).

21. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, caracterizado porque está integrado en un conjunto de herramientas eléctricas autónomas de potencia.