PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA DETERMINAR LA CARGA QUE PUEDE SER TOMADA DE UN ACUMULADOR DE ENERGIA.

Dispositivo para determinar la carga (Qe) que se puede tomar de un acumulador de energía,

especialmente una batería, hasta un final de descarga predeterminado, caracterizado por

- un predictor de carga (2) que calcula la carga (Qe) que se puede tomar del acumulador de energía en el caso de una evolución de descarga de corriente predeterminada (IBatt,entl), sobre la base de un modelo matemático de acumulación de energía que representa matemáticamente las propiedades eléctricas del acumulador de energía, y

- un estimador de variables de estado y parámetros (1) que a partir de variables de funcionamiento reales (UBatt, IBatt, TBatt) del acumulador de energía determina variables de estado (Z) y/o parámetros (P) para el modelo matemático de acumulación de energía, con lo que el predictor de carga (2) determina la carga que se puede tomar (Qe) hasta alcanzar un criterio de final de descarga predeterminado (Uemin, UBattmin, ULastmin)

Procedimiento y dispositivo para determinar la carga que puede ser tomada de un acumulador de energía.

La presente invención hace referencia a un dispositivo para determinar la carga que se puede tomar de un acumulador de energía, especialmente una batería, hasta un final de descarga predeterminado de acuerdo al concepto genérico de la reivindicación 1, así como un procedimiento correspondiente de acuerdo al concepto genérico de la reivindicación 9.

En los acumuladores de energía, como por ejemplo baterías, la carga real que se puede tomar es una variable importante, ya que es la expresión de la reserva de energía de la que se dispone hasta situarse por debajo de una capacidad de potencia mínima requerida para una eficiencia energética. Justamente en el campo de la técnica automovilística, una predicción precisa de la carga que se puede tomar es más decisiva que el conocimiento del estado de carga de la batería definido mediante la concentración media de ácido en el acumulador de plomo, ya que éste sólo provee información acerca de la carga ya tomada respecto a la carga completa, pero no acerca de la cantidad de carga remanente que aún se puede tomar.

La carga que aún se pueda tomar determina directamente la disponibilidad de los consumidores conectados al acumulador de energía. El conocimiento de la carga que se puede tomar se puede utilizar, además, para medidas de técnica de control o regulación, como por ejemplo para una gestión de energía en un vehículo. De esta manera es posible, por ejemplo, tomar a tiempo, antes de alcanzar una reserva de carga mínima, medidas adecuadas que reduzcan el consumo, como por ejemplo la desconexión o la atenuación de consumidores menos importantes.

De la EP-0376967 B1 ya se conoce la posibilidad de determinar la carga que se puede tomar de un acumulador de energía. Para ello, la carga que se puede tomar es estimada, dependiendo de una corriente de descarga constante, a partir de la temperatura de la batería y de la presencia de envejecimiento, y sobre la base de la fórmula Peukert, a través de campos de curvas características determinados empíricamente que se encuentran almacenados en un ordenador. De esta manera, es posible determinar la carga que se puede tomar hasta un final de descarga que se encuentra caracterizado por la descarga completa del acumulador de energía, pero en cambio no es posible determinar la carga que se puede tomar hasta situarse por debajo de una tensión mínima en los bornes, o hasta situarse por debajo de una capacidad de potencia mínima del acumulador de energía. Además, la determinación sobre la base de la fórmula Peukert de la carga que se puede tomar es relativamente imprecisa, ya que no se consideran diferentes efectos que influyen sobre el estado del final de descarga, como por ejemplo una pérdida de masa activa hacia los electrodos debido al envejecimiento de la batería o la formación de hielo en los electrodos en el caso de bajas temperaturas.

De la WO 90/13823 se conoce un procedimiento y un dispositivo para la determinación de variables físicas de acumuladores eléctricos de energía recargables. En este caso, se miden variables de inicio de proceso del acumulador de energía y se procesan en un ordenador, con lo que, de acuerdo al principio conocido de la medición indirecta, un modelo predeterminable en forma de funciones cerradas lineales o no lineales multiparámetro, y/o una parametrización heurística como estimación que representa las variables físicas a determinar y sus relaciones físicas entre ellas, se comparan con las variables de inicio de proceso medidas, y luego el modelo y/o la estimación se adapta para la medición siguiente. En este caso se hace un balance de la cantidad de carga realmente disponible, para lo que se utiliza la eficiencia diferencial de carga de la cantidad de carga almacenada.

La DE 102 03 810 A1 revela un procedimiento para la determinación del estado de carga y/o de la capacidad de rendimiento de un acumulador de carga. En este caso se evalúa la capacidad de rendimiento de la batería a través de la respuesta de tensión de un modelo de batería inicializado con el vector de estado y el vector de parámetro sobre un perfil de corriente de carga predeterminado. En este respecto, es especialmente importante la estimación de la capacidad de rendimiento en el caso de un sometimiento temporal a una carga, por ejemplo de una variable de 10 segundos con corrientes de una variable de =q 100 A.

En el artículo "Methods for state-of-charge determination and their applications", S. Piller, M.Perrin, A.Jossen en Journal of Power Sources 96 (2001), páginas 113-120, se presenta una determinación de estado de carga que recurre a determinados modelos de batería para aplicaciones dinámicas. Sin embargo, no se encuentra previsto un predictor de descarga que determine la carga que se puede tomar hasta alcanzar un criterio de final de descarga predeterminado.

De la EP 420 530 A1 se conoce un dispositivo y un procedimiento para la predicción adaptiva del tiempo restante para la descarga de la batería. El algoritmo de la determinación de estado de carga se basa en características de descarga medidas de las baterías, cuyo tiempo restante para la descarga se puede predecir. Estas características de descarga se han reducido a dos parámetros que no dependen de la corriente de carga.

Es por ello objeto de la presente invención, crear un dispositivo, así como un procedimiento, para determinar la carga que se puede tomar de un acumulador de energía, que permitan una determinación muy precisa de la carga que se puede tomar hasta un criterio de final de descarga predeterminado.

Conforme a la invención, este objeto es resuelto por las características indicadas en la reivindicación 1 o 9. Otros diseños de la invención son objeto de reivindicaciones secundarias.

La idea esencial de la presente invención consiste en prever un predictor de carga, es decir, un dispositivo para el cálculo de la carga que se puede tomar que mediante un modelo matemático de acumulación de energía calcule la carga que se puede tomar del acumulador de energía, considerando una evolución de la corriente de descarga predeterminada y la evolución de la temperatura. En este caso, el modelo de acumulación de energía es un modelo matemático que representa las propiedades eléctricas, basadas en diferentes efectos físicos, del acumulador de energía. Los modelos matemáticos describen relaciones funcionales entre variables de estado, como por ejemplo tensiones, corrientes, temperatura, etc., y comprenden diferentes parámetros.

El cálculo de carga efectuado por el predictor de carga se realiza partiendo del estado real del acumulador de energía. Por ello, los modelos matemáticos almacenados en el predictor de carga se inicializan, en principio, en el estado de servicio real del acumulador de energía. Para ello se encuentra previsto un estimador de variables de estado y parámetros que a partir de las variables de funcionamiento, como por ejemplo la tensión, la corriente y la temperatura del acumulador de energía determina las variables de estado, y, eventualmente, también parámetros del modelo de acumulación de energía. Para las variables de estado del acumulador de energía que no se pueden medir directamente durante el funcionamiento se puede utilizar, por ejemplo, un filtro de Kalman conocido como estimador de variables de estado y parámetros. Partiendo de este estado de inicialización el predictor de carga calcula entonces la carga que se puede tomar del acumulador de energía hasta un final de descarga predeterminado, es decir, hasta uno o múltiples criterios de final de descarga que a continuación se explican con mayor detalle.

En el caso de una batería, el modelo de acumulación de energía comprende, al menos, un modelo para la resistencia interna Ri de la batería, una resistencia a la difusión de ácido R_k y una polarización directa U_D.

El estimador de estado y de los parámetros determina como variables de estado Z, al menos, una tensión de reposo U_C0 de la batería y una polarización de concentración U_k. Si la capacidad de la batería, y con ello también la capacidad ácida C₀ de la batería utilizada es desconocida, también se la debe calcular. Para ello el estimador de variables de estado y de parámetros determina preferentemente, al menos, los parámetros R_i025, U_{e, grenz}, R_k025, U_D025 y C₀. A continuación estos parámetros se explican con mayor detalle.

El criterio de final de...

1. Dispositivo para determinar la carga (Q_e) que se puede tomar de un acumulador de energía, especialmente una batería, hasta un final de descarga predeterminado, caracterizado por

2. Dispositivo conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque el modelo de acumulación de energía es un modelo de batería que comprende, al menos, un modelo matemático para la resistencia interna (R_i), una resistencia a la difusión de ácido (R_k) y una polarización directa (U_D).

3. Dispositivo conforme a la reivindicación 1 o 2 caracterizado porque el estimador de variables de estado y parámetros (1) determina, al menos, una tensión de reposo (U_C0) y una polarización de concentración (U_k) como variables de estado (Z).

4. Dispositivo conforme a la reivindicación 3, caracterizado porque el estimador de variables de estado y parámetros (1) determina, además, una polarización directa (U_D).

5. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el predictor de carga (2) determina la carga que se puede tomar (Q_e) hasta alcanzar una tensión de electrolito mínima predeterminada (U_emin), lo que representa un primer criterio de final de descarga.

6. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el predictor de carga (2) determina la carga que se puede tomar (Q_e) hasta alcanzar una tensión mínima predeterminada (U_Battmin) del acumulador de energía, lo que representa un segundo criterio de final de descarga.

7. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el predictor de carga (2) determina la carga que se puede tomar (Q_e) hasta alcanzar una capacidad mínima de potencia (U_Lastmin), lo que representa un tercer criterio de final de descarga.

8. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se encuentra previsto un predictor de tensión para el que se puede predeterminar una evolución de corriente de carga (I_Last) y que, dependiendo de la corriente de carga (I_Last), determina una correspondiente tensión de carga (U_Last) que se ajustaría debido a la evolución de corriente de carga predeterminada (I_Last).

9. Procedimiento para determinar la carga (Q_e) que se puede tomar de un acumulador de energía, especialmente una batería, hasta un final de descarga predeterminado, caracterizado por los siguientes pasos:

10. Procedimiento conforme a la reivindicación 9, caracterizado porque el predictor de carga (2) calcula la carga que se puede tomar (Q_e) hasta alcanzar una capacidad mínima de potencia (U_Lastmin), con lo que se considera una tensión de carga (U_Last) que es conducida al predictor de carga (2) a través de un predictor de tensión (1) que determina la tensión de carga (U_Last) dependiendo de una evolución de corriente de carga predeterminada (I_Last).