PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACION DE CARACTERISTICAS PARA ESTADOS ELECTRICOS DE UNA BATERIA DE ALMACENAMIENTO Y DISPOSITIVO DE SUPERVISION PARA ELLO.

Procedimiento para la determinación de la capacidad residual que se puede extraer todavía a una batería de almacenamiento,

con las etapas:

a) Ajuste del volumen de electrolito (v) de la batería de almacenamiento en al menos dos partes de volumen de electrolito (vi) dispuestas una sobre otra horizontalmente, con espacios de balance de electrolito (Si) asignados dispuestos uno sobre otro horizontalmente;

b) Fijación de al menos dos espacios de balance de placas de electrodos (Pk) dispuestos uno sobre el otro en la misma división horizontal que los espacios de balance de electrolito (Si), y asignación de las resistencias de reja (RMk) existentes en las regiones de los espacios de balance de las placas de los electrodos de las rejillas de las placas de los electrodos a los espacios de balance de las placas de los electrodos (Pk) y división de la capacidad de almacenamiento total (KM) de las placas de los electrodos de la batería de almacenamiento en partes de capacidad de almacenamiento (KMk) para los espacios de balance de placas de los electrodos (Pk) fijados, estando unido respectivamente un espacio de balance de placas de los electrodos con un espacio de balance de electrolito asignado, si bien no con otros espacios de balance de electrolitos;

c) Determinación de las concentraciones de electrolito (ri) de las partes de volumen de electrolito (vi) para los espacios de balance de electrolito (Si) fijados;

d) Determinación de las cantidades de carga (KEMk) convertidas respectivamente en las placas de los electrodos de los espacios de balance de las placas de los electrodos (Pk); y

e) Medición de la corriente total (I) que fluye en los bornes de conexión de la batería de almacenamiento, de la tensión en bornes (U) de la batería de almacenamiento y de la temperatura de la batería (T), caracterizado por medio de las etapas:

f) Cálculo de las cantidades de carga (RKSi) que todavía se pueden extraer a las partes de los volúmenes de electrolito (vi) en los espacios de balance de electrolito (Si) individuales dependiendo de la concentración de electrolito (ri) actual y del volumen de electrolito (vi) en el espacio de balance de electrolito (Si) correspondiente y de la temperatura de la batería (T) con un modelo matemático para la descripción de un esquema equivalente eléctrico al menos con las magnitudes de las resistencias de rejilla de la rejilla de placas de electrodos (RMk) para los espacios de balance de las placas de los electrodos (Pk) fijadas a partir del paso b), de las partes de capacidad de almacenamiento (KMk) de las concentraciones de electrolito (ri) determinadas en la etapa c) de las partes de volumen de electrolito (vi), de las cantidades de carga KEMk convertidas determinadas en la etapa d), y la corriente (I) y la tensión (U) en bornes medidas en la etapa e) como magnitudes de entrada;

g) Cálculo de las cantidades de carga (RKMk) que todavía se pueden extraer de las masas activas de los espacios de balance de las placas de electrodos (Pk),

h) Cálculo de la capacidad residual (RKg) que todavía se puede extraer de la batería de almacenamiento, como valor característico dependiendo de las cantidades de carga (RKMk) determinadas para los espacios de balance de las placas de los electrodos (Pk), y de las cantidades de carga (RKSi) determinadas para los espacios de balance de electrolito (Si) que todavía se pueden extraer de las partes de volúmenes de electrolito (vi) en los espacios de balance de electrolito (Si) correspondientes

Procedimiento para la determinación de características para estados eléctricos de una batería de almacenamiento y dispositivo de supervisión para ello.

La invención se refiere a un procedimiento para la determinación de la capacidad residual que todavía se puede extraer de una batería de almacenamiento.

La invención se refiere además a un dispositivo de supervisión para una batería de almacenamiento electroquímica con una unidad de medición para la medición de la tensión en bornes de la batería, de la corriente en bornes de la batería, y de la temperatura de la batería, y con una unidad de evaluación.

Existe una necesidad se determinar de modo actual o de preveer el estado de una batería de almacenamiento electroquímica, como por ejemplo el estado de carga o la capacidad de carga de gran amperaje. Por ejemplo, para la capacidad de una batería de arranque de arrancar un automóvil con un motor de combustión son determinantes el estado de carga y el estado de envejecimiento, o bien la caída de capacidad que se consigne de la batería, ya que se limita la intensidad de corriente que se puede extraer de la batería de arranque o bien su entrega de potencia. Especialmente importante es la determinación del estado de la carga o bien la capacidad de arranque de la batería de arranque en los casos en los que, por ejemplo, existe un funcionamiento intermitente del motor, ya que entonces en los tiempos de reposo del motor se sigue operando la red de a bordo del vehículo con sus consumidores, si bien el generador no genera ninguna corriente. La supervisión del estado de carga y de la capacidad de arranque de la batería de arranque ha de garantizar en estos casos que el contenido de energía de la batería de almacenamiento sea suficiente en todo momento para arrancar el motor.

Para la medición del estado de carga y la determinación del comportamiento de carga de las baterías de almacenamiento se conocen los más diferentes procedimientos. De este modo se usan, por ejemplo, aparatos de medición integrados (contadores de Ah), teniéndose en cuenta la corriente de carga, dado el caso, valorándose con un factor de carga fijo. Puesto que la capacidad útil de una batería de almacenamiento de este tipo depende fuertemente de la magnitud de la corriente de descarga y de la temperatura, con estos procedimientos no se puede conseguir ninguna información satisfactoria sobre la capacidad útil que todavía se puede extraer de la batería.

Del documento DE 22 42 510 C1 se conoce, por ejemplo, el hecho de evaluar en un procedimiento para la medición del estado de carga la corriente de carga con un factor que depende de la temperatura y el factor que depende del estado de la propia batería.

En el documento DE 40 07 883 A1 se describe un procedimiento en el que se determina la capacidad de arranque de una batería de almacenamiento por medio de la medición de la tensión en bornes de la batería y de la temperatura de la batería en comparación con un haz de curvas de estado de carga que son válidas para el tipo de batería que se quiere comprobar.

El documento DE 195 43 874 A1 es un procedimiento de cálculo para extraer la característica de descarga y para la medición de la capacidad residual de una batería de almacenamiento, en la que se miden igualmente la corriente, la tensión y la temperatura, aproximándose la característica de descarga por medio de una función matemática con una superficie curvada.

En el documento DE 39 01 680 C1 se describe un procedimiento para la evaluación de la capacidad de arranque en frío de una batería de arranque, en la que la batería de arranque se carga temporalmente con una resistencia. La tensión que cae en la resistencia se mide, y a partir de ello se constata, en comparación con los valores empíricos, si la capacidad de arranque en frío de la batería de arranque sigue siendo suficiente. Para la carga de la batería de arranque sirve en este caso el proceso de arranque.

Adicionalmente, del documento DE 43 39 568 A1 se puede extraer un procedimiento para la determinación del estado de carga de una batería de arranque de un automóvil en el que se miden la corriente de la batería y la tensión en circuito abierto, y a partir de éstas se concluye el estado de carga. En este caso también se considera adicionalmente la temperatura de la batería. Las corrientes de carga medidas durante diferentes espacios temporales se comparan entre ellas, y a partir de ellas se determina una capacidad residual.

En el documento DE 198 47 648 A1 se describe un procedimiento para aprender una relación entre la tensión en circuito abierto y el estado de carga de una batería de almacenamiento con la finalidad de la estimación de la capacidad de almacenamiento. A partir de la relación de la diferencia de tensión en circuito abierto respecto a la cantidad de corriente convertida durante la fase de carga se determina una medida para la capacidad electrolítica del electrolito en la batería de almacenamiento. En este caso se aprovecha el hecho de que la tensión en circuito abierto sube aproximadamente de un modo lineal con el estado de carga en los intervalos elevados relevantes en la práctica del estado de carga.

El problema en la determinación del estado de una batería de almacenamiento electroquímica con el procedimiento ya conocido es que, en particular en el caso del funcionamiento de descarga y de carga de baterías de almacenamiento recargables, pero también en el caso de un almacenamiento sin carga, se produce un desgaste, no teniéndose en cuenta todos los factores de desgaste relevantes.

En el caso de un acumulador de plomo, el electrolito está formado por ácido sulfúrico disuelto, es decir una solución de H₂SO₄ en agua. Típicamente, en un estado completamente cargado se trata de una solución con una molaridad aproximada de 4 a 5. En la reacción de descarga se, de modo correspondiente la ecuación de reacción

se consume en el electrolito H₂SO₄ en ambos electrodos, y adicionalmente se conforma H₂O de un electrodo positivo. Gracias a ello se reduce en la descarga la concentración y la densidad específica del electrolito, mientras que en la reacción de carga que se ejecuta de modo inverso vuelve a aumentar.

En caso de que en la reacción de carga el ácido sulfúrico conformado tenga la posibilidad de una convección en el campo gravitacional de la tierra, entonces ha de disminuir la inclinación en impurezas hacia el suelo del vaso de la celda de las celdas del acumulador de plomo. Gracias a ello existe en la región inferior del vaso de la celda correspondiente un electrolito con una concentración mayor que en la región superior del vaso de la celda. Este estado se designa en el caso del acumulador de plomo como revestimiento ácido.

Puesto que tanto la reacción de carga/descarga como también las reacciones parasitarias, como por ejemplo el desarrollo de gas, corrosión, etc., se ven influenciadas por regla general por la concentración de electrolitos, un revestimiento ácido lleva a un homogeneización del estado de la celda.

D.U. Sauer: Modelling of Local Conditions in flooded Lead/Acid Batteries in Photovoltaic Systems, en: Journal of Power Sources 64 (1997), 181-187 describe un procedimiento para el modelado de una batería de plomo-ácido con la ayuda de un esquema equivalente para los electrodos divididos en tres regiones para simular una relación de corriente-tensión que tenga en cuenta la influencia del revestimiento ácido. Adicionalmente, el espacio de electrolito está dividido en un gran número de espacios de balance de electrolito dispuestos horizontal y verticalmente.

El objetivo de la invención, así pues, es crear un procedimiento mejorado para la determinación de características para estados eléctricos de una batería de almacenamiento.

El objetivo se consigue según la invención por medio de los pasos según la reivindicación 1.

Por medio de la división de la batería de almacenamiento en espacios de balance de electrolitos y en espacios de balance de placas de electrodos es posible registrar los complejos procesos físicos y...

1. Procedimiento para la determinación de la capacidad residual que se puede extraer todavía a una batería de almacenamiento, con las etapas:

a) Ajuste del volumen de electrolito (v) de la batería de almacenamiento en al menos dos partes de volumen de electrolito (v_i) dispuestas una sobre otra horizontalmente, con espacios de balance de electrolito (S_i) asignados dispuestos uno sobre otro horizontalmente;

b) Fijación de al menos dos espacios de balance de placas de electrodos (P_k) dispuestos uno sobre el otro en la misma división horizontal que los espacios de balance de electrolito (S_i), y asignación de las resistencias de reja (R^M}_k) existentes en las regiones de los espacios de balance de las placas de los electrodos de las rejillas de las placas de los electrodos a los espacios de balance de las placas de los electrodos (P_k) y división de la capacidad de almacenamiento total (K^M) de las placas de los electrodos de la batería de almacenamiento en partes de capacidad de almacenamiento (K^M_k) para los espacios de balance de placas de los electrodos (P_k) fijados, estando unido respectivamente un espacio de balance de placas de los electrodos con un espacio de balance de electrolito asignado, si bien no con otros espacios de balance de electrolitos;

c) Determinación de las concentraciones de electrolito (r_i) de las partes de volumen de electrolito (v_i) para los espacios de balance de electrolito (S_i) fijados;

d) Determinación de las cantidades de carga (KE^M_k) convertidas respectivamente en las placas de los electrodos de los espacios de balance de las placas de los electrodos (P_k); y

e) Medición de la corriente total (I) que fluye en los bornes de conexión de la batería de almacenamiento, de la tensión en bornes (U) de la batería de almacenamiento y de la temperatura de la batería (T), caracterizado por medio de las etapas:

f) Cálculo de las cantidades de carga (RK^S_i) que todavía se pueden extraer a las partes de los volúmenes de electrolito (v_i) en los espacios de balance de electrolito (S_i) individuales dependiendo de la concentración de electrolito (r_i) actual y del volumen de electrolito (v_i) en el espacio de balance de electrolito (S_i) correspondiente y de la temperatura de la batería (T) con un modelo matemático para la descripción de un esquema equivalente eléctrico al menos con las magnitudes de las resistencias de rejilla de la rejilla de placas de electrodos (R^M_k) para los espacios de balance de las placas de los electrodos (P_k) fijadas a partir del paso b), de las partes de capacidad de almacenamiento (K^M_k) de las concentraciones de electrolito (r_i) determinadas en la etapa c) de las partes de volumen de electrolito (v_i), de las cantidades de carga KE^M_k convertidas determinadas en la etapa d), y la corriente (I) y la tensión (U) en bornes medidas en la etapa e) como magnitudes de entrada;

g) Cálculo de las cantidades de carga (RK^M_k) que todavía se pueden extraer de las masas activas de los espacios de balance de las placas de electrodos (P_k),

h) Cálculo de la capacidad residual (RK_g) que todavía se puede extraer de la batería de almacenamiento, como valor característico dependiendo de las cantidades de carga (RK^M_k) determinadas para los espacios de balance de las placas de los electrodos (P_k), y de las cantidades de carga (RK^S_i) determinadas para los espacios de balance de electrolito (S_i) que todavía se pueden extraer de las partes de volúmenes de electrolito (v_i) en los espacios de balance de electrolito (S_i) correspondientes.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la densidad de ácido de las partes de volúmenes de electrolito (v_i) es una medida para la concentración de electrolito.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por medio de la determinación de las tensiones en circuito abierto (U_{infty k}) en los espacios de balance de las placas de los electrodos (P_k) fijados dependiendo de la concentración de electrolitos (r_i) en un espacio de balance de electrolito (S_i) asignado.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por medio de la determinación de las tensiones en circuito abierto (U_{infty k}) en los espacios de balance de las placas de electrodos (P_k) fijados en la etapa b) además dependiendo de la temperatura de la batería (T) medida y de las cantidades de carga (KE^M_k) convertidas determinadas en la etapa d).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medio del cálculo de las corrientes (I_i) para los espacios de balance de electrolito (S_i) a partir de la corriente total (I) que fluye en los bornes de conexión de la batería de almacenamiento y una relación de división que depende de la concentración de electrolitos (r_i) en el espacio de balance de electrolito (S_i) correspondiente.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medio del cálculo de las corrientes (I_k) para los espacios de balance de las placas de los electrodos (P_k) a partir de la corriente total (I) que fluye en los bornes de conexión de la batería de almacenamiento y una relación de división que depende de la tensión en circuito abierto (U_{infty k}) en el espacio de balance de las placas de los electrodos (P_k) correspondiente y las partes de resistencia (R^M_k).

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque para las corrientes de descarga se toman las corrientes (I_i) para los espacios de balance de electrolito (S_i) igual a las corrientes (I_k) calculadas para los espacios de balance de las placas de los electrodos asignadas (P_k).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medio del cálculo de la cantidad de carga (KE^M_k) convertida después de un espacio temporal (dt) en un espacio de balance de las placas de los electrodos (P_k) a partir de la capacidad de almacenamiento (KE^M_k) convertida directamente antes de este espacio temporal en este espacio de balance de las placas de los electrodos (P_k) y la carga (I^M_k xdt) que fluye en el espacio temporal (dt) a través del espacio de balance (P_k) de las placas de los electrodos:

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medio del cálculo de la cantidad de carga (RK^M_k) que todavía se puede extraer de las placas de los electrodos en los espacios de balance de las placas de los electrodos (P_k) a partir de la parte de capacidad de almacenamiento (K^M_k) del espacio de balance de las placas de los electrodos (P_k) reducida en la cantidad de carga (KE^M_k) extraída hasta el espacio de tiempo (dt) de la masa activa en el espacio de balance de las placas de los electrodos (P_k) y reducida en la carga (I^M_k xdt) extraída en el espacio temporal (dt) en las placas de los electrodos en el espacio de balance (P_k) de las placas de los electrodos.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medio de la determinación de la capacidad residual dependiendo de la corriente de inversión de carga (I_U) en las placas de los electrodos entre lugares de mayor tensión en circuito abierto (U_infty,x) y lugares de menor tensión en circuito abierto (U_infty,y), calculándose la corriente de inversión de carga (I_U) a partir de la resistencia de polarización (R_P) en las superficies de las placas de los electrodos y la suma de las resistencias de rija (R_n) entre los lugares (x, y) según la fórmula:

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medio del cálculo de la tensión en circuito abierto (U_infty,g) de la batería de almacenamiento como valor característico como función del estado de carga de los espacios de balance de las placas de los electrodos (P_k) individuales, de las tensiones en circuito abierto (U_infty,k) en los espacios de balance de las placas de los electrodos (P_k), de las partes de resistencia (R^M_{k), de la resistencia de polarización (R_p), y de la corriente de inversión de carga (I_U) a través de la inversión de carga en una placa de electrodos individuales.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medio de la determinación del volumen de cristales de hielo (v_Eis) en los espacios de balance de electrolito (S_i) a partir de una relación definida entre la concentración en equilibrio (CGG_i) del ácido en el electrolito y la temperatura (T), así como de la concentración de ácido (C_i) en el electrolito según la fórmula:

13. Procedimiento según la reivindicación 1,2 caracterizado por medio de la terminación de un valor característico para la capacidad de la batería de almacenamiento dependiendo de la proporción de volumen de cristales de hielo (v_Eis) en el volumen de electrolito (v_i) en los espacios de balance de electrolito (S_i) y del lugar (S_i) de la aparición de la conformación de cristales de hielo.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medio del arranque de los valores de estado para la concentración de electrolitos (r_i) en los espacios de balance de electrolitos (S_i) dependiendo de la diferencia entre la tensión en circuito abierto (U_infty) real y la tensión en circuito abierto (U_infty,g) calculada.

15. Dispositivo de supervisión para una batería de almacenamiento electroquímica con una unidad de medición para la medición de la tensión en bornes de la batería (U), de la corriente en bornes de la batería (I) y de la temperatura de la batería (T), y con una unidad de evaluación, caracterizado porque la unidad de evaluación para la realización del procedimiento está conformada según una de las reivindicaciones anteriores por medio de la programación de una unidad de microprocesador.