Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos que permite garantizar una elevada fiabilidad de las mismas de cara a implantar un plan de mantenimiento predictivo,

y que básicamente comprende las etapas de medición de la impedancia de conjuntos de celdas o módulos de las baterías, aplicando posteriormente una corrección de dicha impedancia en función de la temperatura y a continuación una corrección que tiene en cuenta el efecto que el envejecimiento de las baterías produce en dichos módulos o conjuntos de celdas

Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos.

Objeto de la invención

La presente solicitud de Patente de Invención tiene por objeto el desarrollo de un método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos que permita garantizar una elevada fiabilidad de las mismas de cara a implantar un plan de mantenimiento predictivo, anticipándose al fallo de las mismas.

Más concretamente, el método de la presente invención se basa en la medida de la impedancia de conjuntos de celdas o módulos de las baterías para reducir el tiempo empleado en la realización del mantenimiento pero sin pérdida de seguridad y fiabilidad, y en donde además se tiene en cuenta la influencia de la temperatura.

Antecedentes de la invención

Actualmente, el uso de baterías está ampliamente extendido, utilizándose éstas en innumerables aplicaciones y sectores de la técnica en donde es necesario asegurar la operación de equipos eléctricos críticos, como pueden ser, por ejemplo, instalaciones industriales de generación eléctrica, subestaciones para protección y control de seccionadores y relés, sistemas telefónicos, servicios de emergencia, aplicaciones industriales para protección y control, respaldo de computadoras o sistemas informáticos, etc.

Todos estos campos se refieren al uso de baterías en entornos estáticos, perfectamente controlados y en donde las variaciones de las condiciones de contorno son mínimas.

Sin embargo, existen campos en donde las condiciones de trabajo y la problemática asociada a dichas condiciones difieren sustancialmente de una aplicación estacionaria, como sucede por ejemplo en el entorno ferroviario, en donde las baterías se utilizan para aportar la energía de servicio mínima necesaria ante un fallo en el funcionamiento de los equipos de alimentación principales.

Actualmente, aunque son conocidas baterías especialmente diseñadas para aplicaciones ferroviarias, no se conocen metodologías de mantenimiento de dichas baterías que tengan en cuenta el particular entorno del trabajo ferroviario, por lo que el mantenimiento de las mismas se realiza de igual manera que para aquellas baterías instaladas en entornos más estructurados en condiciones estacionarias o estáticas.

Sin embargo, en el entorno ferroviario existen una serie de condicionantes tan particulares que hacen que un mantenimiento de sus baterías basado en el que se utiliza en entornos estacionarios no sea la más adecuada, ni en cuanto a la fiabilidad, ni a la seguridad, ni tampoco al coste desde el punto de vista del tiempo empleado en realizar dicho mantenimiento.

Así, dichas condiciones particulares a tener en cuenta en los entornos ferroviarios y que difieren respecto a las de los entornos estáticos podrían resumirse en tres fundamentales:

- Existen diversidad de equipos. En una explotación ferroviaria se cuenta con un parque de material móvil muy extenso y de muy diferente tipología, lo que implica que el número de baterías a mantener en óptimas condiciones es muy elevado. Esta dificultad se ve incrementada en el caso de ferrocarriles metropolitanos, en donde el número de vehículos, y por lo tanto el de baterías a mantener, puede llegar a varios centenares. Esto no supone un problema solo desde el punto de vista numérico y por lo tanto desde el punto de vista del tiempo empleado en el mantenimiento, sino también desde el punto de vista del elevado número de baterías diferentes empleadas.

- Condiciones ambientales. Las baterías ferroviarias no están ubicadas en salas con condiciones de temperatura, humedad y suciedad controladas, sino que muy al contrario están sometidas a los rigores de las condiciones ambientales externas, que pueden ser enormemente variables. Además, esta variación térmica puede ser a corto plazo a medida que el tren se desplaza en su recorrido, o a largo plazo, debido al paso de las estaciones (verano-invierno).

- Descargas profundas. Una de las funciones principales de cualquier batería es garantizar el suministro eléctrico cuando la fuente principal de energía se interrumpe. En sistemas estacionarios de baterías la fuente principal de energía suele ser la red eléctrica convencional, mientras que en el caso de los ferrocarriles, equipos electrónicos de potencia convierten la tensión principal de alimentación en otras tensiones que puedan ser utilizadas por los diferentes equipos del vehículo. La fiabilidad de estos sistemas de alimentación es menor que la de la red eléctrica si se miden por el tiempo medio entre fallos. Esta diferencia se acentúa, además, si se consideran sólo aquellas interrupciones de servicio de más de 30 minutos. La consecuencia directa de esta particularidad es que el número de descargas profundas de una batería ferroviaria es mucho mayor que la de una batería ubicada en un entorno estacionario, lo que afecta a la esperanza de vida de dicha batería y por lo tanto debe tenerse en cuenta en el plan de mantenimiento.

Estos condicionantes obligan a diseñar planes de mantenimiento que minimicen las arduas tareas a realizar y el tiempo empleado, a la vez que se garantiza la vida de las baterías hasta el siguiente ciclo de mantenimiento previsto, o al menos, proporcionar información que permita estimar la vida útil remanente antes del fallo para tomar una actitud proactiva y de esa manera estar en condiciones de adelantarse a la avería.

Como ya se ha dicho, actualmente se emplean técnicas de mantenimiento de baterías para el entorno ferroviario similares a las utilizadas en entornos estacionarios, como la medida de la impedancia interna, la cual se basa en medir la impedancia de cada vaso (o celda) individual de cada batería para de esa forma diagnosticar el estado en función de la dispersión que presentan los valores de impedancia de distintos vasos dentro de la misma batería. Es decir, el diagnóstico se basa o fundamenta en una comparación de todos los valores de impedancia de cada vaso o celda con la media.

Esta metodología, sin embargo, presenta una serie de limitaciones y carencias importantes cuando se aplica a las baterías del entorno ferroviario, como son las siguientes:

- El tiempo requerido para las operaciones es muy elevado, ya que es imprescindible medir individualmente todos los vasos de la batería, uno a uno. En baterías típicamente ferroviarias con gran cantidad de vasos (una de 110 V tiene 52 vasos de Pb ó 80 de Ni-Cd) el tiempo empleado para la medida completa es muy elevado. Si este elevado tiempo por cada batería se multiplica por el número de baterías a mantener se obtiene un costo horario para las tareas de mantenimiento a todas luces excesivo.

- La ubicación de las baterías en el entorno ferroviario es, a menudo, de difícil acceso, lo que dificulta la medida de la impedancia, que debe tomarse en las bornas de cada vaso. Esto afecta directamente a la seguridad, pues la toma de medidas obliga a descubrir las protecciones de dichas bornas, con el riesgo que esto supone de cortocircuitos accidentales debidos a caídas de objetos metálicos sobre la batería, o lo que es más grave, a contactos involuntarios del operario.

- Imposibilidad de establecer tendencias. Las técnicas basadas en la medida de la impedancia diagnostican el estado de la batería comparando la impedancia de cada vaso con la media del conjunto medido. Al ser ésta una medida relativa, un vaso puede ser útil si se mide en el conjunto de una batería, pero inservible o defectuoso si se coloca en otra batería diferente. Esta relatividad impide asociar un estado de bueno o malo a cada vaso individualmente, por lo que resulta imposible establecer una tendencia del deterioro de cada vaso a lo largo del tiempo.

Descripción de la invención

El método para el mantenimiento predictivo de baterías de la invención que a continuación se describe resuelve los inconvenientes antes señalados, pues proporciona un sistema seguro y fiable para el diagnóstico del estado de baterías en entornos dinámicos como el ferroviario, en donde se tienen en cuenta aspectos que hacen variar la impedancia significativamente, como son tanto la influencia de la temperatura como el envejecimiento de dichas baterías.

De forma general, el método de la invención se basa, principalmente, en una medida absoluta de la impedancia a nivel de módulo, es decir, en una medida de los conjuntos de vasos individuales o celdas, lo cual...

1. Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos caracterizado porque comprende los pasos de:

- medición de la impedancia a nivel de módulo;

- obtención de la impedancia corregida mediante la aplicación de un algoritmo de corrección de dicha impedancia con la temperatura; y

- aplicación de un segundo algoritmo a la impedancia corregida mediante el paso anterior de forma que se tenga en cuenta el efecto que en dicha impedancia corregida tiene el envejecimiento de las baterías.

2. Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos según reivindicación primera, caracterizado porque el algoritmo de corrección de la impedancia con la temperatura comprende los pasos de:

- Medición de la impedancia de varios módulos de baterías del mismo modelo en distinto estado de ciclo de vida;

- medición de la impedancia de cada módulo a diferentes temperaturas;

- obtención, para cada uno de los módulos, de la familia de rectas de la impedancia en función de la temperatura, según:

(a);Z = m_i • T + a_i

- obtención la colección de rectas que relacionan la impedancia Z y la pendiente m_i para cada valor de T_j, según:

(b);Z = b_j • m + k

- obtención del valor de b_j, consistente en tomar la colección de valores b_j engendrada por cada T_j como una variación lineal según:

(c);b_j = α • T + β

- determinación, para cada valor de T fijado, del valor de b y obtención de los valores α y β; y

- obtención de la expresión de la compensación a aplicar uniendo las expresiones (b) y (c), según:

3. Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos según reivindicación segunda, caracterizado porque los diferentes estados ciclos de vida en los que se realiza la medición de la impedancia comprenden el estado inicial, el final de su vida útil y uno o varios estados intermedios.

4. Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la obtención de la impedancia corregida comprende las etapas de:

- Fijación de una temperatura arbitraria;

- toma de muestras o medida de la impedancia de un módulo;

- medición de la temperatura T en las bornas del módulo del cual se acaba de medir la impedancia Z.

- aplicación del algoritmo de corrección de la impedancia con la temperatura a los valores de Z y T medidos experimentalmente para obtener la corrección Z^* en (mΩ/ºC) según:

(e);Z^* = Z - m (T-T₀)

- obtención por sustitución en (d) de:

5. Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo algoritmo, aplicado a la impedancia corregida, comprende los pasos de:

- Medición de la impedancia de una cantidad representativa de módulos en servicio del mismo tipo y modelo, aplicando el algoritmo de corrección de la impedancia;

- transformación de la impedancia corregida Z* en una variable X que siga una distribución normal;

- obtención de la distribución normal de de la variable transformada X;

- calculan los estimadores de máxima verosimilitud de la distribución de la variable X;

- fijación del límite superior del intervalo de confianza para la variable X a partir de los estimadores de máxima verosimilitud,

- transformación de los límites del intervalo de confianza para la variable X en la variable Z*, mediante la antitransformada correspondiente; y

- comparación de los valores de impedancia corregida Z* obtenidos anteriormente con el límite superior del intervalo de confianza y realizar la diagnosis de "útil-no útil" en función de si dicho valor medido es o no mayor que el mencionado límite superior.

6. Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos según reivindicaciones quinta, caracterizado porque el método de transformación estadístico para la transformación de la impedancia corregida Z* en una variable X que siga una distribución normal, es el de Box Cox.

7. Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos según reivindicación primera, caracterizado porque adicionalmente comprende la comprobación de si se ha producido un cortocircuito interno entre alguna de las placas que forman parte de cada vaso del módulo.

8. Método para el diagnóstico de baterías en entornos dinámicos según reivindicación séptima, caracterizado porque comprende calcular la relación entre la tensión medida con batería en descarga y la medida con batería en vacío de forma que si la tensión medida en el módulo de la batería en vacío es inferior a un valor calculado dicho módulo pueda descartarse por defectuoso.